DE3929984A1

DE3929984A1 - Schwingungsdaempfersystem

Info

Publication number: DE3929984A1
Application number: DE3929984A
Authority: DE
Inventors: Nayomon Uno; Masao Mutaguchi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1988-10-06
Filing date: 1989-09-08
Publication date: 1990-04-12
Anticipated expiration: 2009-09-09
Also published as: US5182887A; CA1331043C; JP2668990B2; KR900006712A; DE3929984B4; FR2637663B1; GB8918655D0; GB2224097B; FR2637663A1; GB2224097A; JPH02102945A; KR960015417B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwingungsdämpfer system zur Verwendung mit einem Bauwerk. Sie bezieht sich insbesondere auf ein an der Oberseite eines Bau werks, wie z.B. eines Turms einer Hängebrücke, eines Wolkenkratzers, eines Stahlturms, angeordnetes Schwing ungsdämpfersystem zum Abschwächen von Schwingungen auf grund von Windbelastungen (aerodynamische Kräfte) oder eines Erdbebens.

Wenigstens vier Ausführungsformen des oben genannten Schwingungsdämpfersystems sind bereits bekannt.

Die erste ist in Fig. 13 gezeigt und in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 60-92 569 offenbart. In dieser Kon struktion ist eine Dämpfereinrichtung 58 vorgesehen, welche aufweist eine Vorrichtung 50 zum Ermitteln der Schwingungsamplitude des Schwingungskörpers 52 (diese Vorrichtung wird nachfolgend "Schwingungsmeßfühler" be zeichnet), ein Betätigungsorgan 54, das eine Dämpfkraft auf den Schwingungskörper 52 aufbringt, die der von dem Schwingungsmeßfühler 50 ermittelten Schwingungsampli tude entspricht, und eine zusätzliche, mitschwingende Masse 56, die die auf den Schwingungskörper 52 ein wirkende Dämpfkraft ausgleicht. Eine Begrenzungseinheit 60 verhindert eine übermäßige Bewegung der zusätzlichen mitschwingenden Masse 56, und eine Dämpfeinheit 62 absorbiert den von der mitschwingenden Masse 56 auf die Begrenzungseinheit 60 ausgeübten Stoß.

Die zweite ist in Fig. 14 gezeigt und in der Japani schen Patentanmeldung Nr. 60-92 570 offenbart. Diese An meldung offenbart ein System, welches umfaßt ein Betätigungsorgan 66 mit mitschwingender Masse, welches auf der Konstruktion 64 angebracht ist, einen die Schwingung der Konstruktion 64 wahrnehmenden Schwing ungsmeßfühler 68, ein Steuerorgan 70, das Steuersignale auf der Basis des von dem Schwingungsmeßfühler 68 erzeugten Signals abgibt und ein Betätigungsorgan 66 mit mitschwingender Masse, welches von dem Steuerorgan 70 so gesteuert wird, daß die Schwingung der Konstruktion 64 abgedämpft wird. Die an dem Be tätigungsorgan 66 mit mitschwingender Masse anliegende elektrische Leistung wird durch das Zeitsteuergerät 76 und auf der Basis des Ausgangssignals eines Vor hersagemeßfühlers für die Grundkörperschwingung ge steuert, welcher aus einem auf dem Boden befindlichen Erdbebenmeßfühler 72 und aus einer logischen Schaltung 74 besteht.

Die dritte ist in den Fig. 15A und 15B gezeigt und in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 59-97 341 offenbart.

Die Konstruktion dieser bekannten Anmeldung umfaßt eine mitschwingende Masse 82, welche bewegungsfrei auf der Oberseite 80 der Konstruktion 78 angeordnet ist, ein Betätigungsorgan 88, das die mitschwingende Masse 82 antreibt und dessen stationäre Arme 84 an dem von der Oberseite 80 sich erstreckenden Vorsprung 86 befestigt sind, ein Steuerorgan 90 zum Steuern des Betätigungs organs 88, eine an der Konstruktion 78 zum Feststellen der Konstruktionsschwingung befestigten Schwingungs meßfühler 92, einen Boden-Schwingungsmeßfühler (ein Erdbebenmeßfühler) 96, welcher auf dem Fundament 94 der Konstruktion 78 zum Feststellen der Grundschwingung an gebracht ist, und ein Subtraktionsorgan 98 zum Subtra hieren der Ausgangssignale des Erdbebenmeßfühlers 96 von den Ausgangssignalen des Schwingungsmeßfühlers 92 und zum Liefern der Eingangssignale für das Steuerorgan 90.

Die vierte ist in Fig. 16 gezeigt und in der Japani schen Patentanmeldung Nr. 60-85 165 offenbart. Die in dieser bekannten Anmeldung gezeigte Konstruktion ist ein System umfassend ein an der Konstruktion 100 befe stigtes Betätigungsorgan 102 mit mitschwingender Masse und einen Schwingungsmeßfühler 104 zum Feststellen der Schwingung der Konstruktion 100, wobei das Betätigungs organ 102 mit mitschwingender Masse mittels eines Steuerorgans 106 und einer Energiequelle 108 auf der Basis der Signale von dem Schwingungsmeßfühler 104 be tätigt ist. Zwischen dem Vibrationsmeßfühler 104 und dem Betätigungsorgan 102 mit mitschwingender Masse ist ein Bandpaßfilter 110 vorgesehen.

Die oben beschriebenen Konstruktionen haben mehrere Nachteile. Die Konstruktion gemäß Fig. 13 ist z.B. auf grund des Einbaus der Begrenzungseinheit 60 und der darauf bezogenen Komponenten komplex aufgebaut; die Konstruktion in Fig. 14 erfordert wegen der Notwendig keit, den Erdbeben-Meßfühler 72 auf den Boden zu set zen, ein kompliziertes Steuerorgan; die Konstruktion gemäß den Fig. 15A und Fig. 15B erfordert notwendiger weise aufgrund der Verwendung des Subtraktionsorgans 98 Doppel-Schwingungsmeßfühler; und die Konstruktion gemäß Fig. 16 weist aufgrund des Einbaus des Bandpaßfilters 110 eine überflüssige Schaltungsanordnung auf. Außerdem ist in keiner der Offenbarungen das Verfahren zum Steu ern des Betätigungsorgans in konkreten Schritten ange geben, und ferner bleibt die Phasenbeziehung zwischen der Schwingung der Konstruktion und der tatsächlichen Bewegung der Dämpfervorrichtung unklar.

Es ist Zweck der Erfindung, die Schwingung der Kon struktion, bei Verwendung einfacher Schaltungen, durch ein Steuern der Bewegung eines Gewichtes in optimaler Phasenbeziehung in bezug auf die Schwingung der Kon struktion so zu unterdrücken, daß der Konstruktion ihre kinetische Energie entzogen wird, in dem die kinetische Energie des Gewichtes an die Konstruktion abgegeben wird, wodurch alle Probleme der Anordnungen gemäß des Standes der Technik gelöst werden.

Eine der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt eine Konstruktion umfassend ein an der Oberseite der Konstruktion angebrachtes Gewicht, um eine einfache harmonische Oszillation durchzuführen, ein das Gewicht antreibendes Betätigungsorgan, ein Beschleunigungsmeßfühler, welcher als Detektor der Kon struktionsschwingung arbeitet und eine Phasen- und Amplitudensteuervorrichtung, welche das Vorzeichen des Signals des Beschleunigungsmeßfühlers umkehrt und die ses zum Betätigungsorgan als Befehlssignal überträgt. Die Phasen- und Amplitudensteuervorrichtung umfaßt des halb eine erste Integrationseinrichtung, die das von dem Beschleunigungsmeßfühler kommende Beschleunigungs signal in ein Geschwindigkeitssignal umwandelt, eine zweite Integrationseinrichtung, die das Geschwindig keitssignal der ersten Integrationseinrichtung in ein Verschiebungssignal umwandelt, eine Vergleichsein richtung, welche das von der zweiten Integrationsein richtung kommende Verschiebungssignal mit einem bestimmten Grenzwert vergleicht, einen Verstärker, welcher das Vorzeichen des Ausgangssignals der ersten Integrationseinrichtung umkehrt, und ein Relais, welches ermöglicht, daß das Signal mit umgekehrtem Vorzeichen das Betätigungsorgan als ein Gewichts betätigungsbefehl erreicht, wenn die Vergleichsein richtung ermittelt, daß das Verschiebungssignal größer ist als der Grenzwert.

Sobald also die Schwingung der Konstruktion durch den Schwingungsmeßfühler festgestellt wird, dient dieses Organ als Eingang für das Gewichtsbetätigungsorgan, nachdem es durch das Phasen- und Amplitudensteuerorgan phasen- und amplitudengesteuert worden ist. Da die an das Gewicht in der Form einer einfachen harmonischen Schwingung abgegebene Energie, welche im Hinblick auf die Schwingung der Konstruktion um 90° phasenverzögert ist, der Konstruktion mit optimalstem Zeitpunkt und Be trag übermittelt wird, wird die Schwingung der Kon struktion schnell abgedämpft.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines auf einem Turm einer Hängebrücke ange brachten Schwingungsdämpfersystems;

Fig. 2 eine Vorderansicht der Dämpfungs vorrichtung für Bauwerke;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Pendelschwingungssystems;

Fig. 5 ein Schaubild des erfindungsgemäßen Prinzips anhand eines Modells;

Fig. 6 einen Satz von Liniendiagrammen, in welchen die Beziehungen zwischen der Bewegung des Gewichts der Erfindung und der Konstruktionsschwingung in Abhängigkeit der Verschiebung (A), der Geschwindigkeit (B) und der Be schleunigung (C) dargestellt sind;

Fig. 7 ein Blockschaubild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Phasen- und Amplitudensteuervor richtung;

Fig. 8 ein Blockschaubild einer anderen Aus führungsform der erfindungsgemäßen Phasen- und Amplitudensteuervor richtung;

Fig. 9 ein Schaubild einer weiteren Aus führungsform der Schaltung, welche eine Ausgleichsvorrichtung zum Verzö gern des Servosystems umfaßt;

Fig. 10 ein Diagramm der Verschiebung, wenn die Verzögerung des Servosystems nicht ausgeglichen wird;

Fig. 11 ein Diagramm der Verschiebung, wenn die Verzögerung des Servosystems in geeigneter Weise ausgeglichen wird;

Fig. 12 eine schematische Ansicht, in welcher die Erfindung auf einem länglichen Gebäude vorgesehen ist;

Fig. 13-16 schematische Ansichten bekannter Vor richtungen; und

Fig. 17 ein weiteres Blockschaubild der erfindungsgemäßen Phasensteuervor richtung.

Fig. 1 zeigt eine Möglichkeit der Anbringung eines Konstruktionsdämpfersystems 2 auf einem Turm 1 einer Hängebrücke, welche solche Konstruktionen darstellt, die aufgrund einer außen aufgebrachten Kraft schwingen. Am oberen Ende des Turmes 1 ist das Dämpfersystem 2 vorgesehen und an einer Oberseite des Turmes 1 ist ein Schwingungsmeßfühler 3 angebracht.

Zum genauen Beschreiben des Dämpfersystems 2 ist in Fig. 2 auf der am oberen Ende des Turmes 1 angeordneten Plattform 4 ein schmales Gewicht 5 vorgesehen, das als Bogen ausgebildet und so aufgestellt ist, daß eine ein fache harmonische Schwingung (eine Pendelbewegung) mit Hilfe der Stützwalzen 6 in Richtung der Pendelbewegung des Turmes 1 durchgeführt wird, um ein Federsystem zu bilden, das aufgrund der Rückstellkraft gemäß der Schwerkraft arbeitet. Der Schwingungsbereich des Ge wichtes 5 ist auf die Weglänge beschränkt, die der Vor sprung 7, welcher an einer Seite der Mitte (oder Vor sprünge an beiden Seiten) des Gewichtes 5 vorgesehen ist, zurücklegen kann, bis er durch die Puffer 8 und 9 zurückgehalten wird, die am jeweiligen Ende der Platt form 4 angebracht sind. Außerdem ist an der Oberseite des Gewichtes 5 eine Zahnstange 10 vorgesehen, die in der Schwingungsrichtung des Gewichtes 5 liegt. Die Ein zelheiten 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 dienen in Kom bination als ein Gewichtsantriebsmechanismus.

Gemäß Fig. 3 ist eine Welle 12 direkt mit dem Motor 11 verbunden, welcher sich rechtwinklig oberhalb der Zahnstange 10 erstreckt. An einem Mittelpunkt der Welle 12 greift ein Ritzel 13 in die Zahnstange 10 ein. Nahe dem verlängerten Ende der Welle 12 ist außerdem ein Ge wicht 14 zum Einstellen der Schwingungsperiode vorgese hen, um die Schwingungsperiode des Gewichtes 5 durch dessen Rotationsträgheit einzustellen. Der Motor 11 treibt nämlich das Gewicht 5 in einer Schwingung von gegebener Periode mittels der Welle 12, des Ritzels 13 und der Zahnstange 10 an und wird dabei durch das Ge wicht 14 zum Einstellen der Schwingungsperiode unter stützt. Die Welle 12 ist ferner mit einem Dämpfer 12 a versehen und mittels Lager 12 b und 12 c abgestützt.

Mit dem Schwingungsmeßfühler 3 ist auf der anderen Seite eine Phasen- und Amplitudensteuereinrichtung 99 verbunden, um Phase und Amplitude des Signals des Schwingungsmeßfühlers 3 zu steuern, wohingegen der Motor 11 durch ihr Phasenausgangssignal angetrieben wird. Mit Hilfe einer geeigneten Phasen- und Ampli tudensteuerung in bezug auf die Schwingung des Turmes 1 ist es also unter Verwendung der Antriebskraft des Motors 11 nicht nur möglich, die Pendelbewegung des Turmes 1 in einem zulässigen Bereich zu halten, sondern auch dafür zu sorgen, daß der Turm 1 seine kinetische Energie verbraucht.

Es wird besonders auf die Tatsache hingewiesen, daß die Antriebskraft des Motors sowohl als Kraft zum Beschleu nigen des Gewichtes 5 als auch als Dämpfungskraft zum Bremsen des Gewichtes 5 dienen kann, so daß dadurch die benötigte Amplitude aufrechterhalten wird. Das heißt für den Fall, daß keine geeignete Steuerung durchge führt wird, wird die an das Gewicht 5 in Form einer einfachen harmonischen Schwingung durch den hin- und herpendelnden Turm 1 abgegebene Energie divergieren, so daß der Motor 11 für die zwei Betriebsbedingungen Be schleunigen des Gewichtes 5 auf die benötigte Amplitude und Abbremsen desselben eingesetzt wird, um das Vorlie gen einer Divergenz zu verhindern.

Wenn das Gewicht 5 als ein in Fig. 4 gezeigtes Pendel betrachtet wird, kann dessen natürliche Schwingungs periode T und dessen vertikale Verschiebung y wie folgt berechnet werden:

und

wobei R einen Abstand zur Mitte der Schwerkraft G, x eine horizontale Verschiebung, m eine Masse des Gewich tes, ω die Eigenfrequenz und k eine Federkonstante be zeichnen.

Um nachfolgend das Prinzip der erfindungsgemäßen Phasensteuerung zu erklären, bezeichnet Bezugszeichen 15 in Fig. 5 einen mittels eines Betätigungsorgans 16 gerüttelten Tisch; 17 einen bewegungsfrei auf dem Rütteltisch 15 angeordneten Testkörper (der Körper 17 entspricht dem Turm 1 gemäß Fig. 1); 18 ein Gewicht (entsprechend dem Gewicht 5 aus Fig. 2); und 19 und 20 Halterungen. Wenn nun die auf den Körper 17 einwirkende aerodynamische Kraft (Windbelastung) mit P bezeichnet wird; die Masse des Körpers 17 durch M; die äquivalente oder reduzierte Federkonstante des Körpers 17 mit K; der Dämpfungskoeffizient des Körpers 17 (d.h. die zu sätzliche Dämpfungskonstante, welche 2 M×h×ω beträgt) durch C, wobei ω die Eigenfrequenz und h die Dämpfungskoeffizient der Konstruktion, z.B. h = 0,01- 0,02 im Fall von Gebäuden und h = 0,1-0,2 im Fall von Brücken, bezeichnen; die horizontale lineare Verschie bung des Körpers 17 (in einem absoluten Koor dinatensystem) durch X; die Masse des Gewichtes 18 durch m; die Federkonstante des Gewichtes 18 durch k; die die Schwingung des Gewichtes 18 steuernde Kraft durch p und die horizontale lineare Verschiebung des Gewichtes 18 (in einem auf den Körper 17 bezogenen re lativen Koordinatensystem) durch x bezeichnet werden; dann lauten die Bewegungsgleichungen des Körpers 17 und des Gewichtes 18;

und

wobei t die Zeit bedeutet.

Wird ferner angenommen, daß der Körper 17 und das Ge wicht 18 eine einfache harmonische Schwingung ausfüh ren, gilt

X=A · sin ω t, (3)

und

x=B · sin (ω t+α), (4)

wobei A und B Amplituden und α die Phasendifferenz zu ω t bezeichnen.

Da die Federkonstanten K und k auf die Massen M und m bezogen sind, gilt:

K=(M+m) · ω², (5)

und

k=m ω², (6)

und schließlich

Ein Einsetzen der Gleichungen (7) und (8) in Gl. (1) und (2), liefert:

Gl. (9) zeigt, daß wenn die zwei Terme auf der rechten Seite in der Phase zueinander gleich sind, eine Kraft von der Dämpfung des Körpers 17 und eine Kraft gemäß der Bewegung des Gewichtes 18 in Gleichgewicht stehen zu der aerodynamischen Kraft P. Das bedeutet ferner, daß, wenn die Bewegung des Gewichtes 18 um 90° im Hin blick auf die Bewegung des Körpers 17 verzögert wird, eine Kraft in der gleichen Richtung wie die Dämpfung des Körpers 17 auftritt, um die Schwingung zu beenden.

Wird also α = -90° gesetzt, kann Gl. (9) geschrieben werden als:

P cos ω t
=2M · h · A l² · cos ω t+m · B ω² · cos ω t
=(2M · h · A+mB) · ω² · cos ω t, (11)

so daß sich die Amplitude B des Gewichtes 18 ergibt zu:

m · B=(P/l²)-2M · h · A (12)

Diese Gleichungen verdeutlichen, daß, da sie erkennen lassen, ob das betreffende Dämpfersystem aktiv oder passiv ist, die durch Gl. (10) gegebene Kraft p als eine Steuerkraft wirkt, wenn das Dämpfersystem aktiv ist, wohingegen dieselbe als eine Dämpfungskraft wirkt, wenn das System passiv ist.

Wenn die Federkonstante k nicht durch Gl. (6) gegeben ist, wird die Summe von mx und kx nicht Null (siehe Gl. (8)). In diesem Fall macht Gl. (10) eine Abwandlung er forderlich. Auch wenn das Dämpfersystem selbst eine Dämpfungskraft besitzt, wie zum Beispiel Reibung zwi schen den das System bildenden Elementen, sind solche Dämpfungskräfte in Betracht zu ziehen.

Der zuvor mathematisch dargestellte Grundgedanke der Erfindung kann dann mit Worten wie folgt erklärt wer den:

(1) Die Kraft, die das Dämpfersystem erzeugt, um die Schwingung einer Konstruktion zu unterdrücken (Turm 1 in dieser Ausführungsform), geht aus von der Massenbewegung des Dämpfersystems;
und
(2) das Dämpfersystem übt auf die Schwingungs konstruktion eine Dämpfkraft oder eine Steuerkraft aus, die der äußeren, auf die Konstruktion einwir kenden Kraft an Größe entspricht, aber in die ent gegengesetzte Richtung weist, so daß die Schwing ung der Konstruktion konstant gehalten wird.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht mit anderen Worten in der Umwandlung der Energie zum Bei spiel einer aerodynamischen Kraft, welche die Konstruk tion zur Schwingungen anregt, in kinetische Energie des Dämpfersystems, und darin, daß der Abschwächungs mechanismus des Dämpfersystems die Energie verbraucht: das ist also ein Verfahren zum indirekten Verbrauchen der angegebenen Energie.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die Phasendifferenz in der Verschiebung zwischen dem Turm 1 und dem Gewicht 5 des Dämpfersystems 2 90° be tragen sollte. Ihre Verschiebungen sind in Fig. 6(A) gezeigt, wobei die durchgezogene Linie die Bewegung der Konstruktion und die gestrichelte Linie diejenige des Gewichtes bezeichnen. Ihre Geschwindigkeiten (Fig. 6(B)) werden durch einmaliges Differenzieren von Fig. 6(A), ihre Beschleunigungen (Fig. 6(C)) schließlich durch nochmaliges Differenzieren von Fig. 6(B) erhal ten.

Darauf basiert, daß ein Beschleunigungsmeßfühler als Schwingungsmeßfühler 3 in der vorliegenden Ausführungs form eingebaut werden kann: durch ein Ermitteln der Pendelbewegung des Turmes 1 mit dem Schwingungs meßfühler 3 und durch einmaliges Integrieren dieses Signals wird das Geschwindigkeitssignal des Turmes 1 und durch Integrieren des Geschwindigkeitssignals schließlich das Verschiebungssignal erhalten. In dem Fall, daß das so erhaltene Verschiebungssignal größer ist als der bestimmte Grenzwert, wird das Vorzeichen des Geschwindigkeitssignals vom Turm 1 umgekehrt und das umgekehrte Signal der Betätigungseinheit des Dämpfersystems 2 als Verschiebungssignal des Gewichtes 5 zugeführt. Dadurch wird das Gewicht 5 veranlaßt so zu schwingen, daß seine Verschiebung in bezug auf diejenige des Turmes 1 um 90° verzögert ist.

Fig. 7 zeigt ein Blockschaubild der oben beschriebenen Phasen- und Amplitudensteuerung. Bezugszeichen 21 be zeichnet hier eine erste Integrationseinrichtung, die eine Integration des durch den Schwingungsmeßfühler 3 festgestellten Beschleunigungssignals 1 ausführt; 22 bezeichnet einen Verstärker, der das Vorzeichen des Geschwindigkeitssignals v 1 umkehrt, welches das Aus gangssignal der ersten Integrationseinrichtung 21 ist, und es an die Motorantriebseinheit 24 des Motors 11 über einen Kontaktpunkt 23 a eines Relais 23 überträgt; 25 bezeichnet einen Impulsgenerator, der das Rückführ signal an die Motorantriebseinheit 24 zum Angleichen der Drehzahl des Motors 11 an das aus dem Verstärker 22 austretende Signal; 26 bezeichnet eine zweite Integrationseinrichtung, die eine Integration des von der ersten Integrationseinrichtung 21 kommenden Signals v 1 durchführt, um das Verschiebungssignal l ₁ zu erhalten; 27 bezeichnet eine Vergleichseinrichtung, welche einen Vergleich des Verschiebungssignals l ₁ mit einem bestimmten Grenzwert durchführt; 23 bezeich net das in der Vergleichseinrichtung angeordnete und den Kontaktpunkt 23 a aufweisende Relais, das durch Er regung der Spule des Relais 23 (bereits früher einge führt) geschlossen wird, wenn das Verschiebungssignal l ₁ größer ist als der Grenzwert in der Vergleichsein richtung 27, wodurch der Motor 11 dazu angeregt wird, dem Gewicht 5 das Ausführen einer einfachen harmoni schen Schwingung zu gestatten; und 28 bezeichnet ein Verschiebungsmeßgerät, daß das Ausgangssignal der zwei ten Integrationseinrichtung 26 anzeigt. In diesem Fall ist die Vergleichseinrichtung 27, die zum Bewegen des Gewichtes 5 dient, wenn die Pendelbewegung des Turmes 1 einen gewissen vorbestimmten Bereich überschritten hat, keine absolut notwendige Komponente, ebenso wenig ist das Verschiebungsmeßgerät 28 unabdinglich.

Wenn der Schwingungsmeßfühler 3 gemäß Fig. 7, welcher ein Beschleunigungsdetektor ist, eine Beschleunigung des Turmes 1 feststellt, wird dessen Signal α 1 durch die erste Integrationseinrichtung 21 integriert und in das Beschleunigungssignal v 1 umgewandelt. Wenn nun der Kontaktpunkt 23 a des Relais 23 immer noch geschlossen, d.h. in der Einschaltstellung, ist, wird das Ge schwindigkeitssignal v 1, nachdem der Verstärker 22 das Vorzeichen des Geschwindigkeitssignals v 1 umgewandelt hat, in die Antriebseinheit 24 geleitet, wodurch der Motor 11 zu drehen und das Gewicht 5 zu schwingen be ginnt. Anschließend wird das Geschwindigkeitssignal v 1 durch die zweite Integrationseinrichtung 26 in das Verschiebungssignal l ₁ integriert. Wenn das Ver schiebungssignal l ₁ größer ist als der Grenzwert in der Vergleichseinrichtung 27, überträgt die Vergleichs einrichtung 27 ein Signal an das Relais 23, das dann wiederum den Kontaktpunkt 23 a zwischen dem Verstärker 22 und der Motorantriebseinheit 24 schließt.

Fig. 8 verdeutlicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Phasen- und Amplitudensteuerein richtung 99. Diese Konstruktion basiert auf der Tat sache, daß, wie Fig. 6 zeigt, in Fig. 6(A) dargestellte Bewegungen durch Umkehren des Vorzeichens des an dem Turm 1 angebrachten Meßfühlers 3 und durch Verwenden dieses Signals als Geschwindigkeitssignal erhalten wer den können, um das Gewicht 5 anzutreiben, da das Signal des Schwingungsmeßfühlers 3, wenn es mit umgekehrtem Vorzeichen versehen ist, das Geschwindigkeitssignal des Gewichtes 5 ist.

In dieser Ausführungsform ist nämlich das von dem Schwingungsmeßfühler 3 kommende Signal durch den Richtungswender 29 mit dem umgekehrten Vorzeichen -α 2 versehen und durch einen Amplitudenverstärker 30 ver stärkt, wodurch das Verschiebungssignal des Gewichtes 5 erhalten wird. Das so erhaltene Signal dient als Ein gang zu der Motorantriebseinheit 24 über den Kontakt punkt 23 a des Relais 23. Der nachfolgende Ablauf ist dergleiche wie in dem zuletzt beschriebenen Fall. Diese Ausführungsform bewirkt vielfach den gleichen Effekt wie die in Fig. 7 dargestellte erste Ausführungsform.

Fig. 17 zeigt eine Abwandlung des Systems gemäß Fig. 7. In diesem Fall ist kein Verstärker 22 eingebaut; statt dessen ist ein Phasenschieber 40 vorgesehen. Der Ausgang der zweiten Integrationseinrichtung 26 wird re lativ zu dem Verschiebungssignal durch den Phasen schieber 40 um 90° verzögert. Das Signal des Phasenschiebers 40 wird dem Motor 11 über das Relais 23 zugeführt.

Für ein anderes Ausführungsbeispiel besteht aber auch eine Möglichkeit, daß der Gewichtantriebsmechanismus und die Motorantriebseinheit 24 aufgrund von Massen trägheit verzögert werden können, wenn der Turm 1 mit kurzer Schwingungsdauer hin- und herpendelt. Fig. 9 zeigt ein anderes Schaubild, das mit einem Schaltkreis zum Korrigieren dieser Verzögerung versehen ist, wobei Bezugszeichen 31 einen A/D Umwandler bezeichnet, der die Ausgangssignale der ersten Integrationseinrichtung 21 digitalisiert; 32 einen Speicher bezeichnet, der die von dem A/D Umwandler 31 synchron mit einem Taktsignal an seiner Datenendstelle a kommenden Signaldaten ab speichert; 33 einen Phasenregler bezeichnet, der den Eingang und Ausgang der Daten in den Speicher 32 da durch regelt, daß dem Speicher 32 die mittels des Phaseneinstellers 34 eingestellte Phase zugeführt wird; und 35 einen D/A Umwandler bezeichnet, der die von dem Speicher 32 kommenden Daten in ein analoges Signal um wandelt und dieses an die Antriebseinheit 24 über den Kontaktpunkt 23 a des Relais 23 als Betätigungsbefehl überträgt.

In der Schaltung gemäß Fig. 9 wird das Signal α 3 des Schwingungsmeßfühlers 3 in das Geschwindigkeitssignal v ₃ durch die erste Integrationseinrichtung 21 umge wandelt, das Geschwindigkeitssignal v ₃ wird dann nach dem Digitalisieren durch den A/D Umwandler 31 in den Speicher 32 gegeben. Der Speicher 32 speichert die Daten des Geschwindigkeitssignals v₃ für eine be stimmte Anzahl von Schwingungsperioden synchron mit dem von der Datenendstelle a abgegebenen Taktsignal ab und gibt zwischenzeitlich die Daten mit einer bestimmten Phasenverzögerung nach Erhalt des Befehls von dem Phasenregler 33 auf der Basis des mittels des Phasen einstellers 34 eingestellten Wertes ab.

Da der Speicher 32 in diesem Fall Daten mit einer durch den Phaseneinsteller 34 eingestellten Phase abgibt und da die Phase auf Wunsch für alle schnellen Geschwin digkeitsänderungen eingestellt werden kann, ist es möglich, die Verzögerung in dem Servosystem schnell zu korrigieren. Wenn also der Speicher 32 nicht vorgesehen ist, wird die Bewegung des Gewichtes 5 gemäß der Servoverzögerung verzögert, wie in Fig. 10 durch die doppeltgepunktete Linie gezeigt ist, wohingegen die Be wegung des Gewichtes 5 geeignet eingestellt wird, wenn der Speicher 32 vorgesehen ist und eine Verzögerungs zeit Δ t (in diesem Beispiel 3/4 Hz) dem Servosystem zugeteilt ist, wie in Fig. 11 dargestellt ist. Die Verzögerung des Servosystems kann mit anderen Worten durch ein Verzögen der Phase ausgeglichen werden.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird festgestellt, daß ein Aus gleichswert m₀, der durch die folgende Gleichung ge geben ist, zu der Masse m des Gewichtes 5 zugegeben wird, wenn eine Geschwindigkeitsänderungseinrichtung innerhalb der Änderungseinrichtung für die Schwingungs dauer oder zwischen dem Ritzel 13 und der Änderungs einrichtung für die Schwingungsdauer 14 vorgesehen ist:

wobei lr den Radius des Ritzels 13, I dessen Rotations trägheit und n die Drehzahlvergrößerung der Geschwin digkeitsänderungseinrichtung bezeichnen. In diesem Fall ist die Eigenfrequenz ω zu multiplizieren mit

Die vorstehenden Ausführungsformen haben mehrere Vor teile: ihre Steuersysteme sind einfach aufgebaut, so daß die Kosten reduziert sind und die Instandhaltung vereinfacht ist; aufgrund der Verwendung einer einfa chen harmonischen Schwingung ist der Energieverbrauch zum Beschleunigen des Gewichtes 5 in eine einfache har monische Schwingung gering, wodurch Energie eingespart werden kann.

Obgleich der Turm 1 beim Beschreiben der bevorzugten Ausführungsformen lediglich mit einer einzigen Kon struktion dargestellt worden ist, ist es natürlich mög lich, daß diese Konstruktion ein Wolkenkratzer 101, wie in Fig. 12 gezeigt, oder irgendeine andere Konstruktion sein kann. Zum Umfang der vorliegenden Erfindung gehört auch eine Steuerung zum Vorschieben der Phase, eher als eine in den Ausführungsformen beschriebene Phasen verzögerung, im Hinblick auf die Konstruktions schwingung eine Anwendung als ein Schwingungserreger, eher als daß ein Dämpfer vollständig geeignet ist.

Schließlich sind verschiedene andere Abänderungen und Variationen selbstverständlich in dem Umfang der vor liegenden Erfindung enthalten.

Claims

1. Dämpfersystem (2) für Konstruktionsschwingungen, enthaltend:
ein an der Oberseite einer Konstruktion (1, 101) derart angebrachtes Gewicht (5), daß es eine ein fache harmonische Schwingung ausführen kann;
einen an der Konstruktion (1, 101) zum Erfassen der Schwingung der Konstruktion (1, 101) befestig ten Schwingungsmeßfühler (3) zum Erzeugen eines Ausgangssignals; und
einen Gewichtsantriebsmechanismus (4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) zum Antreiben des Gewichts (5), dadurch gekennzeichnet, daß
der Gewichtsantriebsmechanismus (4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) dem Gewicht (5) gestattet, eine einfache harmonische Schwingung auszuführen, und daß
das Dämpfersystem (2) für die Konstruktions schwingung ferner umfaßt:
eine mit dem Schwingungsmeßfühler (3) verbundene Phasen- und Amplitudensteuereinrichtung (99) zum Berechnen der Amplitude (1) der Konstruktions schwingung durch Verarbeiten des Ausgangssignals (α/v) des Schwingungsmeßfühlers (3), zum Umkehren des Vorzeichens des Schwingungsmeßfühler- Ausgangssignals (α/v), wenn die Schwingungs amplitude (1) der Konstruktion (1, 101) einen be stimmten Grenzwert überschreitet, und zum Antrei ben des Gewichtsantriebsmechanismus (4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) auf der Basis des Aus gangssignals (-a/-v) mit umgekehrtem Vorzeichen derart, daß die Schwingung des Gewichtes (5) als eine Abschwächungskraft gegen die Konstruktions schwingung dient.

2. Schwingungsdämpfersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht (5) bogenförmig ausgestaltet ist, und daß der Gewichtsantriebs mechanismus umfaßt Stützwalzen (6) zum Stützen des Gewichtes (5) auf der Oberseite der Konstruktion, eine auf der Oberseite des Gewichtes (5) ange brachte Zahnstange (10), ein mit der Zahnstange (10) in Eingriff stehendes Ritzel (13) und einen Motor (11) zum Drehen des Ritzels (13) derart, daß das Gewicht (5) eine einfache harmonische Schwing ung ausführt.

3. Schwingungsdämpfersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsantriebs mechanismus (4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) ein Gewicht zum Einstellen der Schwingungsdauer um faßt.

4. Schwingungsdämpfersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwing ungsmeßfühler (3) ein Beschleunigungsmeßfühler mit einem Ausgang zum Abgeben eines Beschleunigungs signals ist, und daß der Antriebsmechanismus (4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13/14) einen Motor (11) umfaßt, der das Gewicht (5) dazu veranlaßt, eine einfache harmonische Schwingung auszuführen.

5. Schwingungsdämpfersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen- und Amplitudensteuereinrichtung (99) umfaßt:
eine erste Integrationseinrichtung (21) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang des Beschleu nigungsmeßfühlers (3) zum Umwandeln des mittels des Beschleunigungsmeßfühlers (3) erfaßten Be schleunigungssignals (α) in ein Geschwindig keitssignal (v) verbunden ist;
eine zweite Integrationseinrichtung (26) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang der ersten Integrationseinrichtung (21) zum Umwandeln des von der ersten Integrationseinrichtung (21) abgegebene Geschwindigkeitssignals (v) in ein Verschiebungs signal (l) verbunden ist;
eine Vergleichseinrichtung (27) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang der zweiten Integrations einrichtung (27) zum Vergleichen des von der zwei ten Integrationseinrichtung (27) abgegebenen Ver schiebungssignals (l) mit einem bestimmten Grenz wert verbunden ist;
einen Verstärker (22) mit einem Ausgang, welcher mit dem Ausgang der ersten Integrationseinrichtung (21) zum Umkehren des Vorzeichens des von der er sten Integrationseinrichtung (21) abgegebenen Ge schwindigkeitssignals (v) verbunden ist;
eine Motorantriebseinheit (24) mit einem Eingang, welche mit dem Ausgang des Verstärkers (22) zum Aufnehmen des Geschwindigkeitssignals (-v) mit um gekehrtem Vorzeichen verbunden ist, wenn die Vergleichseinrichtung (27) feststellt, daß das Verschiebungssignal (l) größer ist als der Grenz wert, und welche den Motor (11) auf der Grundlage des mit umgekehrtem Vorzeichen versehenen Ge schwindigkeitssignals antreibt.

6. Schwingungsdämpfersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen- und Amplitudensteuereinrichtung (99) umfaßt:
eine erste Integrationseinrichtung (21) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang des Beschleu nigungsmeßfühlers (3) zum Umwandeln des von dem Beschleunigungsmeßfühler (3) abgegebenen Signals (a) in ein Geschwindigkeitssignal (v) verbunden ist;
eine zweite Integrationseinrichtung (26) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang der ersten Integrationseinrichtung (21) zum Umwandeln des von der ersten Integrationseinrichtung (21) abgegebe nen Geschwindigkeitssignals (v) in ein Ver schiebungssignal (l) verbunden ist;
eine Vergleichseinrichtung (27) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang der zweiten Integrations einrichtung (26) zum Vergleichen des von der zwei ten Integrationseinrichtung (26) abgegebenen Ver schiebungssignals (l) mit dem bestimmten Grenzwert verbunden ist;
einen Richtungswender (29) mit einem Ausgang, wel cher mit dem Ausgang des Beschleunigungsmeßfühlers (3) zum Umwandeln des von dem Beschleu nigungsmeßfühler (3) abgegebenen Beschleunigungs signals (α) verbunden ist;
einen Amplitudenverstärker (30) mit einem Ausgang, welcher mit dem Ausgang des Richtungswenders (29) zum Verstärken des mit umgekehrtem Vorzeichen ver sehenen Beschleunigungssignals (-α) verbunden ist; und
eine Motorantriebseinheit (24) mit einem Eingang, welche mit dem Ausgang des Amplitudenverstärkers (30) zum Aufnehmen des von dem Amplituden verstärker (30) abgegebenen Signals verbunden ist, wenn die Vergleichseinrichtung (27) feststellt, daß das Verschiebungssignals (l) größer ist als der Grenzwert, und welche zum Antreiben des Motors (11) auf der Grundlage des von dem Amplituden verstärker (30) erhaltenen Signals dient.

7. Schwingungsdämpfersystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das System zwischen dem Verstärker (22) und dem Motor (11) ein Relais (23) umfaßt, so daß das Signal (-v) die Motoran triebseinheit (24) erreichen kann, wenn das Ver schiebungssignal (l) größer ist als der bestimmte Wert in der Vergleichseinrichtung (27), und daß der Motor (11) einen Impulsgenerator (25) zum Rückführen eines Signals zum Eingang der Motorantriebseinheit (24) umfaßt, um die Dreh bewegung des Motors (11) mit dem Signal (-v) des Verstärkers (22) oder des Amplitudenverstärkers (30) abzugleichen.

8. Schwingungsdämpfersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen- und Amplitudensteuereinrichtung (99) umfaßt:
eine erste Integrationseinrichtung (21) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang des Beschleunigungsmeßfühlers (3) zum Integrieren des von dem Beschleunigungsmeßfühler (3) abgegebenen Beschleunigungssignals (α) verbunden ist, um ein Geschwindigkeitssignal (v) zu bilden;
einen A/D Umwandler (31) mit einem Ausgang, wel cher mit dem Ausgang der ersten Integrations einrichtung (21) zum Digitalisieren des Geschwindigkeitssignals (v) verbunden ist;
einen mit dem Ausgang des A/D Umwandler (31) ver bundenen Speicher (32) mit einem Ausgang und zwei Eingängen, wobei einer der Eingänge zum Aufnehmen des von dem A/D Umwandler (31) abgegebenen Signals und der andere Eingang zum Aufnehmen eines Takt signals (a) dienen, um das von dem A/D Umwandler (31) abgegebene Signal synchron mit dem Takt signal abzuspeichern;
einen Phaseneinsteller (34) mit einem Ausgang zum Erzeugen eines vorgegebenen Phasensignals;
einen Phasenregler (33), der mit dem Ausgang des Phaseneinstellers (34) zum Aufnehmen des vorgege benen Phasensignals und mit dem Eingang des Spei chers (32) zum Steuern der Phase des Dateneingangs und -ausgangs jeweils zu und von dem Speicher (32) auf der Grundlage der vorgegebenen Phase verbunden ist;
einen D/A Umwandler (35) mit einem Ausgang, wel cher mit dem Ausgang des Speichers (32) zum Umwan deln des von dem Speicher (32) kommenden Signals in ein Analogsignal verbunden ist; und
eine mit dem Ausgang des D/A Umwandlers (35) ver bundene Motorantriebseinheit (24) zum Aufnehmen von dessen Signal und zum Antreiben des Motors (11) auf der Grundlage des so erhaltenen Signals.

9. Schwingungsdämpfersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen- und Amplitudensteuereinrichtung (99) umfaßt;
eine erste Integrationseinrichtung (21) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang des Beschleu nigungsmeßfühlers (3) zum Umwandeln des von dem Beschleunigungsmeßfühler (3) abgegebenen Beschleu nigungssignals (α) in ein Geschwindigkeitssignal (v) verbunden ist;
eine zweite Integrationseinrichtung (26) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang der ersten Integrationseinrichtung (21) zum Integrieren des von der ersten Integrationseinrichtung (21) abge gebenen Geschwindigkeitssignals (v) in ein Ver schiebungssignal (l) verbunden ist;
eine Vergleichseinrichtung (27) mit einem Ausgang, welche mit dem Ausgang der zweiten Integrations einrichtung (26) zum Vergleichen des von der zwei ten Integrationseinrichtung (26) abgegebenen Ver schiebungssignals (l) mit einem bestimmten Wert verbunden ist;
einen Phasenschieber (40) mit einem Ausgang, wel cher mit dem Ausgang der zweiten Integrations einrichtung (26) zum Verzögern des von der zweiten Integrationseinrichtung abgegebenen Verschiebungs signals (l) um 90° verbunden ist;
ein Relais (23) mit einem Ausgang, welches mit dem Ausgang des Phasenschiebers (40) verbunden ist, um den Durchgang des von dem Phasenschieber (40) ab gegebenen verzögerten Signals zu gestatten, wenn das von der zweiten Integrationseinrichtung (26) abgegebene Verschiebungssignal (l) größer ist als der bestimmte Wert; und
eine mit dem Ausgang des Relais (23) verbundene Motorantriebseinheit (24) zum Antreiben des Motors (11) nach Erhalt des das Relais (23) passierenden Signals.