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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Schwingungsdämpfersystem
zur Verwendung mit einem Bauwerk. Sie bezieht sich insbesondere
auf ein an der Oberseite eines Bauwerks, wie z.B. eines Turms einer
Hängebrücke, eines
Wolkenkratzers, eines Stahlturms, angeordnetes Schwingungsdämpfersystem
zum Abschwächen von
Schwingungen aufgrund von Windbelastungen (aerodynamische Kräfte) oder
eines Erdbebens.
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Wenigstens vier Ausführungsformen
des oben genannten Schwingungsdämpfersystems
sind bereits bekannt.
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Die erste ist in 13 gezeigt und in der Japanischen Patentanmeldung
Nr. 60-92569 offenbart. In dieser Konstruktion ist eine Dämpfereinrichtung 58 vorgesehen,
welche aufweist eine Vorrichtung 50 zum Ermitteln der Schwingungsamplitude
des Schwingungskörpers 52 (diese
Vorrichtung wird nachfolgend "Schwingungsmeßfühler" bezeichnet), ein
Betätigungsorgan 54,
das eine Dämpfkraft
auf den Schwingungskörper 52 aufbringt,
die der von dem Schwingungsmeßfühler 50 ermittelten
Schwingungsamplitude entspricht, und eine zusätzliche, mitschwingende Masse 56,
die die auf den Schwingungskörper 52 einwirkende
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.
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Die zweite ist in 14 gezeigt und in der Japanischen Patentanmeldung
Nr. 60-92570 offenbart. Diese Anmeldung 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 Schwingungsmeßfühler 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 Betätigungsorgan 66 mit
mitschwingender Masse anliegende elektrische Leistung wird durch
das Zeitsteuergerät 76 und
auf der Basis des Ausgangssignals eines Vorhersagemeßfühlers für die Grundkörperschwingung gesteuert,
welcher aus einem auf dem Boden befindlichen Erdbebenmeßfühler 72 und
aus einer logischen Schaltung 74 besteht.
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Die dritte ist in den 15A und 15B gezeigt und in der Japanischen Patentanmeldung
Nr. 59-97341 offenbart.
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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 Betätigungsorgans 88,
eine an der Konstruktion 78 zum Feststellen der Konstruktionsschwingung
befestigten Schwingungsmeßfühler 92,
einen Boden-Schwingungsmeßfühler (ein
Erdbebenmeßfühler) 96,
welcher auf dem Fundament 94 der Konstruktion 78 zum
Feststellen der Grundschwingung angebracht ist, und ein Subtraktionsorgan 98 zum
Subtrahieren der Ausgangssignale des Erdbebenmeßfühlers 96 von den Ausgangssignalen
des Schwingungsmeßfühlers 92 und
zum Liefern der Eingangssignale für das Steuerorgan 90.
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Die vierte ist in 16 gezeigt und in der Japanischen Patentanmeldung
Nr. 60-85165 offenbart. Die in dieser bekannten Anmeldung gezeigte
Konstruktion ist ein System umfassend ein an der Konstruktion 100 befestigtes
Betätigungsorgan 102 mit
mitschwingender Masse und einen Schwingungsmeßfühler 104 zum Feststellen
der Schwingung der Konstruktion 100, wobei das Betätigungsorgan 102 mit
mitschwingender Masse mittels eines Steuerorgans 106 und
einer Energiequelle 108 auf der Basis der Signale von dem
Schwingungsmeßfühler 104 betätigt ist.
Zwischen dem Vibrationsmeßfühler 104 und
dem Betätigungsorgan 102 mit mitschwingender
Masse ist ein Bandpaßfilter 110 vorgesehen.
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In den Aufsätzen von F. Raps, G. Schmidt,
Stahlbau 6, S. 180–184
(1985) bzw. F. Raps, VDI-Berichte Nr. 627, S. 247–262 (1987)
werden aktive geregelte Schwingungsdämpfer zur Verringerung winderregter Schwingungen
an Bauwerken beschrieben. Darin wird vorgeschlagen, eine Zusatzmasse über ein
aktives Stellglied mit dem Bauwerk zu koppeln. Das Stellglied übt auf das
Gebäude
und die Zusatzmasse eine Kraft aus, deren Größe nach einem Regelgesetz bestimmt
wird, in das die Auslenkung der Zusatzmasse relativ zum Bauwerk,
die Geschwindigkeit der Zusatzmasse relativ zum Bauwerk und eine
oder mehrere der Größen Auslenkung,
Geschwindigkeit und Beschleunigung des Bauwerks linear eingehen.
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Die oben beschriebenen Konstruktionen
haben mehrere Nachteile. Die Konstruktion gemäß 13 ist z.B. aufgrund des Einbaus der
Begrenzungseinheit 60 und der darauf bezogenen Komponenten
komplex aufgebaut; die Konstruktion in 14 erfordert wegen der Notwendigkeit,
den Erdbeben-Meafühler 72 auf
den Boden zu setzen, ein kompliziertes Steuerorgan; die Konstruktion
gemäß den 15A und 15B erfordert notwendigerweise aufgrund
der Verwendung des Subtraktionsorgans 98 Doppel-Schwingungsmeßfühler; und die
Konstruktion gemäß 16 weist aufgrund des Einbaus
des Bandpaßfilters 110 eine überflüssige Schaltungsanordnung
auf. Außerdem
ist in keiner der Offenbarungen das Verfahren zum Steuern des Betätigungsorgans
in konkreten Schritten angegeben, und ferner bleibt die Phasenbeziehung
zwischen der Schwingung der Konstruktion und der tatsächlichen
Bewegung der Dämpfervorrichtung
unklar.
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Es ist Zweck der Erfindung, die Schwingung
der Konstruktion, bei Verwendung einfacher Schaltungen, durch ein
Steuern der Bewegung eines Gewichtes in optimaler Phasenbeziehung
in bezug auf die Schwingung der Konstruktion 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.
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Die Aufgabe wird durch ein Schwingungsdämpfungssystem
nach Anspruch 1 gelöst.
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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 Konstruktionsschwingung arbeitet und eine Phasen-
und Amplitudensteuervorrichtung, welche das Vorzeichen des Signals
des Beschleunigungsmeßfühlers umkehrt
und dieses zum Betätigungsorgan
als Befehlssignal überträgt. Die
Phasen- und Amplitudensteuervorrichtung umfaßt deshalb eine erste Integrationseinrichtung,
die das von dem Beschleunigungsmeßfühler kommende Beschleunigungssignal
in ein Geschwindigkeitssignal umwandelt, eine zweite Integrationseinrichtung,
die das Geschwindigkeitssignal der ersten Integrationseinrichtung
in ein Verschiebungssignal umwandelt, eine Vergleichseinrichtung,
welche das von der zweiten Integrationseinrichtung 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 Gewichtsbetätigungsbefehl
erreicht, wenn die Vergleichseinrichtung ermittelt, daß das Verschiebungssignal
größer ist
als der Grenzwert.
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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 Betrag übermittelt
wird, wird die Schwingung der Konstruktion schnell abgedämpft.
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Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 Eine
schematische Ansicht eines auf einem Turm einer Hängebrücke angebrachtes
Schwingungsdämpfersystem;
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2 eine
Vorderansicht der Dämpfungsvorrichtung
für Bauwerke;
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3 eine
Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 2;
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4 eine
schematische Darstellung eines Pendelschwingungssystems;
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5 ein
Schaubild des erfindungsgemäßen Prinzips
anhand eines Modells;
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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 Beschleunigung
(C) dargestellt sind;
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7 ein
Blockschaubild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Phasen-
und Amplitudensteuervorrichtung;
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8 ein
Blockschaubild einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Phasen-
und Amplitudensteuervorrichtung;
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9 ein
Schaubild einer weiteren Ausführungsform
der Schaltung, welche eine Ausgleichsvorrichtung zum Verzögern des
Servosystems umfaßt;
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10 ein
Diagramm der Verschiebung, wenn die Verzögerung des Servosystems nicht
ausgeglichen wird;
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11 ein
Diagramm der Verschiebung, wenn die Verzögerung des Servosystems in
geeigneter Weise ausgeglichen wird;
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12 eine
schematische Ansicht, in welcher die Erfindung auf einem länglichen
Gebäude
vorgesehen ist;
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13 – 16 schematische Ansichten
bekannter Vorrichtungen; und
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17 ein
weiteres Blockschaubild der erfindungsgemäßen Phasensteuervorrichtung.
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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.
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Zum genauen Beschreiben des Dämpfersystems 2 ist
in 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
einfache 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 Gewichtes 5 ist auf
die Weglänge beschränkt, die
der Vorsprung 7, welcher an einer Seite der Mitte (oder
Vorsprünge
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 Plattform 4 angebracht
sind. Außerdem
ist an der Oberseite des Gewichtes 5 eine Zahnstange 10 vorgesehen,
die in der Schwingungsrichtung des Gewichtes 5 liegt. Die
Einzelheiten 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 dienen
in Kombination als ein Gewichtsantriebsmechanismus.
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Gemäß 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 Gewicht 14 zum
Einstellen der Schwingungsperiode vorgesehen, 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 Gewicht 14 zum Einstellen der
Schwingungsperiode unterstützt.
Die Welle 12 ist ferner mit einem Dämpfer 12a versehen
und mittels Lager 12b und 12c abgestützt.
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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 Amplitudensteuerung
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.
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Es wird besonders auf die Tatsache
hingewiesen, daß die
Antriebskraft des Motors sowohl als Kraft zum Beschleunigen 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 durchgeführt
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 Beschleunigen des Gewichtes 5 auf
die benötigte
Amplitude und Abbremsen desselben eingesetzt wird, um das Vorliegen
einer Divergenz zu verhindern.
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Wenn das Gewicht
5 als ein
in
4 gezeigtes Pendel
betrachtet wird, kann dessen natürliche Schwingungsperiode
T und dessen vertikale Verschiebung y wie folgt berechnet werden:
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 bezeichnen.
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Um nachfolgend das Prinzip der erfindungsgemäßen Phasensteuerung
zu erklären,
bezeichnet Bezugszeichen
15 in
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
1);
18 ein Gewicht
(entsprechend dem Gewicht
5 aus
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 zusätzliche
Dämpfungskonstante,
welche 2M·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 Verschiebung des Körpers
17 (in
einem absoluten Koordinatensystem) 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
relativen Koordinatensystem) durch x bezeichnet werden; dann lauten
die Bewegungsgleichungen des Körpers
17 und
des Gewichtes
18;
wobei
t die Zeit bedeutet.
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Wird ferner angenommen, daß der Körper 17 und
das Gewicht 18 eine einfache harmonische Schwingung ausführen, gilt X = A·sinωt, (3) und x = B·sin(ωt + α), (4) wobei A
und B Amplituden und α die
Phasendifferenz zu ωt
bezeichnen.
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Da die Federkonstanten K und k auf
die Massen M und m bezogen sind, gilt:
K = (M + m)·ω2
(5) und
k = mω2, (6) und schließlich
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Ein Einsetzen der Gleichungen (7)
und (8) in Gl. (1) und (2), liefert:
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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
Hinblick auf die Bewegung des Körpers 17 verzögert wird,
eine Kraft in dergleichen Richtung wie die Dämpfung des Körpers 17 auftritt,
um die Schwingung zu beenden.
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Wird also α = –90° gesetzt, kann Gl. (9) geschrieben
werden als: Pcosωt = 2M·h·Aω2·cosωt + m·Bω2·cosωt = (2M·h·A + mB)·ω2·cosωt, (11) so daß sich die
Amplitude B des Gewichtes 18 ergibt zu: m·B = (P/ω2) – 2M·h·A (12)
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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.
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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 erforderlich.
Auch wenn das Dämpfersystem selbst
eine Dämpfungskraft
besitzt, wie zum Beispiel Reibung zwischen den das System bildenden
Elementen, sind solche Dämpfungskräfte in Betracht
zu ziehen.
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Der zuvor mathematisch dargestellte
Grundgedanke der Erfindung kann dann mit Worten wie folgt erklärt werden:
- (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
Schwingungskonstruktion eine Dämpfkraft
oder eine Steuerkraft aus, die der äußeren, auf die Konstruktion
einwirkenden Kraft an Größe entspricht,
aber in die entgegengesetzte Richtung weist, so daß die Schwingung
der Konstruktion konstant gehalten wird.
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Der Grundgedanke der vorliegenden
Erfindung besteht mit anderen Worten in der Umwandlung der Energie
zum Beispiel einer aerodynamischen Kraft, welche die Konstruktion
zur Schwingungen anregt, in kinetische Energie des Dämpfersystems,
und darin, daß der
Abschwächungsmechanismus
des Dämpfersystems
die Energie verbraucht: das ist also ein Verfahren zum indirekten
Verbrauchen der angegebenen Energie.
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Aus der vorstehenden Beschreibung
wird deutlich, daß die
Phasendifferenz in der Verschiebung zwischen dem Turm 1 und
dem Gewicht 5 des Dämpfersystems 2 90° betragen
sollte. Ihre Verschiebungen sind in 6(A) gezeigt,
wobei die durchgezogene Linie die Bewegung der Konstruktion und
die gestrichelte Linie diejenige des Gewichtes bezeichnen. Ihre
Geschwindigkeiten ( 6(B))
werden durch einmaliges Differenzieren von 6(A), ihre Beschleunigungen (6(C)) schließlich durch
nochmaliges Differenzieren von 6(B) erhalten.
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Darauf basiert, daß ein Beschleungigungsmeßfühler als
Schwingungsmeßfühler 3 in
der vorliegenden Ausführungsform
eingebaut werden kann: durch ein Ermitteln der Pendelbewegung des
Turmes 1 mit dem Schwingungsmeßfühler 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.
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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 v1 umkehrt, welches
das Ausgangssignal der ersten Integrationseinrichtung 21 ist,
und es an die Motorantriebseinheit 24 des Motors 11 über einen
Kontaktpunkt 23a eines Relais 23 überträgt; 25 bezeichnet
einen Impulsgenerator, der das Rückführsignal
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 Intergrationseinrichtung 21 kommenden Signals
v1 durchführt,
um das Verschiebungssignal 11 zu erhalten; 27 bezeichnet
eine Vergleichseinrichtung, welche einen Vergleich des Verschiebungssignals 11 mit
einem bestimmten Grenzwert durchführt; 23 bezeichnet
das in der Vergleichseinrichtung angeordnete und den Kontaktpunkt 23a aufweisende
Relais, das durch Erregung der Spule des Relais 23 (bereits
früher
eingeführt)
geschlossen wird, wenn das Verschiebungssignal 11 größer ist
als der Grenzwert in der Vergleichseinrichtung 27, wodurch
der Motor 11 dazu angeregt wird, dem Gewicht 5 das
Ausführen
einer einfachen harmonischen Schwingung zu gestatten; und 28 bezeichnet
ein Verschiebungsmeßgerät, daß das Ausgangssignal
der zweiten 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.
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Wenn der Schwingungsmeßfühler 3 gemäß 7, welcher ein Beschleunigungsdetektor
ist, eine Beschleunigung des Turmes 1 feststellt, wird
dessen Signal α1 durch die erste Integrationseinrichtung 21 integriert und
in das Beschleunigungssignal v1 umgewandelt. Wenn nun der Kontaktpunkt 23a des
Relais 23 immer noch geschlossen, d.h. in der Einschaltstellung,
ist, wird das Geschwindigkeitssignal v1, nachdem der Verstärker 22 das
Vorzeichen des Geschwindigkeitssignals v1 umgewandelt hat, in die
Antriebseinheit 24 geleitet, wodurch der Motor 11 zu
drehen und das Gewicht 5 zu schwingen beginnt. Anschließend wird
das Geschwindigkeitssignal v1 durch die zweite Integrationseinrichtung 26 in
das Verschiebungssignal 11 integriert. Wenn das Verschiebungssignal 11 größer ist
als der Grenzwert in der Vergleichseinrichtung 27, überträgt die Vergleichseinrichtung 27 ein
Signal an das Relais 23, das dann wiederum den Kontaktpunkt 23a zwischen
dem Verstärker 22 und
der Motorantriebseinheit 24 schließt.
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8 verdeutlicht
eine andere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Phasen-
und Amplitudensteuereinrichtung 99. Diese Konstruktion
basiert auf der Tatsache, daß,
wie 6 zeigt, in 6(A) dargestellte Bewegungen
durch Umkehren des Vorzeichens des an dem Turm 1 angebrachten
Meßfühlers 3 und
durch Verwenden dieses Signals als Geschwindigkeitssignal erhalten
werden 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.
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In dieser Ausführungsform ist nämlich das
von dem Schwingungsmeßfühler 3 kommende
Signal durch den Richtungswender 29 mit dem umgekehrten
Vorzeichen –α2 versehen
und durch einen Amplitudenverstärker 30 verstärkt, wodurch
das Verschiebungssignal des Gewichtes 5 erhalten wird.
Das so erhaltene Signal dient als Ein gang zu der Motorantriebseinheit 24 über den
Kontaktpunkt 23a des Relais 23. Der nachfolgende Ablauf
ist dergleiche wie in dem zuletzt beschriebenen Fall. Diese Ausführungsform
bewirkt vielfach den gleichen Effekt wie die in 7 dargestellte erste Ausführungsform.
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17 zeigt
eine Abwandlung des Systems gemäß 7. In diesem Fall ist kein
Verstärker 22 eingebaut;
stattdessen ist ein Phasenschieber 40 vorgesehen. Der Ausgang
der zweiten Integrationseinrichtung 26 wird relativ zu
dem Verschiebungssignal durch den Phasenschieber 40 um
90° verzögert. Das
Signal des Phasenschiebers 40 wird dem Motor 11 über das
Relais 23 zugeführt.
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Für
ein anderes Ausführungsbeispiel
besteht aber auch eine Möglichkeit,
daß der
Gewichtantriebsmechanismus und die Motorantriebseinheit 24 aufgrund
von Massenträgheit
verzögert
werden können,
wenn der Turm 1 mit kurzer Schwingungsdauer hin- und herpendelt. 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
abspeichert; 33 einen Phasenregler bezeichnet, der den
Eingang und Ausgang der Daten in den Speicher 32 dadurch
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
umwandelt und dieses an die Antriebseinheit 24 über den
Kontaktpunkt 23a des Relais 23 als Betätigungsbefehl überträgt.
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In der Schaltung gemäß 9 wird das Signal α3 des
Schwingungsmeßfühlers 3 in
das Geschwindigkeitssignal v3 durch die
erste Integrationseinrichtung 21 umgewandelt, das Geschwindigkeitssignal
v3 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 bestimmte 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 Phaseneinstellers 34 eingestellten
Wertes ab.
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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 Geschwindigkeitsänderungen
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 10 durch die doppeltgepunktete
Linie gezeigt ist, wohingegen die Bewegung des Gewichtes 5 geeignet
eingestellt wird, wenn der Speicher 32 vorgesehen ist und
eine Verzögerungszeit Δt (in diesem
Beispiel 3/4 Hz) dem Servosystem zugeteilt ist, wie in 11 dargestellt ist. Die
Verzögerung
des Servosystems kann mit anderen Worten durch ein Verzögen der
Phase ausgeglichen werden.
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Mit Bezug auf
3 wird festgestellt, daß ein Ausgleichswert
m
o, der durch die folgende Gleichung gegeben
ist, zu der Masse m des Gewichtes
5 zugegeben wird, wenn
eine Geschwindigkeitsänderungseinrichtung innerhalb
der Änderungseinrichtung
für die
Schwingungsdauer oder zwischen dem Ritzel
13 und der Änderungseinrichtung
für die
Schwingungsdauer
14 vorgesehen ist:
wobei lr den Radius des
Ritzels
13, I dessen Rotationsträgheit und n die Drehzahlvergrößerung der
Geschwindigkeitsänderungseinrichtung
bezeichnen. In diesem Fall ist die Eigenfrequenz ω zu multiplizieren
mit
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Die vorstehenden Ausführungsformen
haben mehrere Vorteile: ihre Steuersysteme sind einfach aufgebaut,
so daß die
Kosten reduziert sind und die Instandhaltung vereinfacht ist; aufgrund
der Verwendung einer einfachen harmonischen Schwingung ist der Energieverbrauch
zum Beschleunigen des Gewichtes 5 in eine einfache harmonische
Schwingung gering, wodurch Energie eingespart werden kann.
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Obgleich der Turm 1 beim
Beschreiben der bevorzugten Ausführungsformen
lediglich mit einer einzigen Konstruktion dargestellt worden ist,
ist es natürlich
möglich,
daß diese
Konstruktion ein Wolkenkratzer 101, wie in 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 Phasenverzögerung,
im Hinblick auf die Konstruktionsschwingung 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 vorliegenden Erfindung enthalten.
