WO2004040065A1 - Dämpfungsvorrichtung - Google Patents

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WO2004040065A1
WO2004040065A1 PCT/DE2003/003110 DE0303110W WO2004040065A1 WO 2004040065 A1 WO2004040065 A1 WO 2004040065A1 DE 0303110 W DE0303110 W DE 0303110W WO 2004040065 A1 WO2004040065 A1 WO 2004040065A1
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WO
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cylinder
damping device
hydraulic
pressure
space
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/003110
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heino Försterling
Peter Manecke
Original Assignee
Bosch Rexroth Ag
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Publication date
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Priority to EP03753313A priority patent/EP1556551B1/de
Priority to DE50308289T priority patent/DE50308289D1/de
Priority to JP2004547384A priority patent/JP4481171B2/ja
Priority to AU2003271539A priority patent/AU2003271539A1/en
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    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
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    • E01D11/02—Suspension bridges
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
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    • F15B1/02—Installations or systems with accumulators
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    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/14—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type
    • F15B15/17—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type of differential-piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B7/00—Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors
    • F15B7/005—With rotary or crank input
    • F15B7/006—Rotary pump input

Definitions

  • the invention relates to a damping device, in particular for cable-supported structures such.
  • damping device is understood to mean a hydraulic linear axis for semi-active or active damping, in which essentially only control energy is entered.
  • the effect of known passive dampers on the cover vibrations is not satisfactory.
  • Active damping devices on the other hand, especially provided in the end abutments of the stay cables, bring about a significant reduction in the vibration amplitude.
  • the known designs have a considerable energy consumption.
  • the object of the present invention is to provide a damping device which has an improved response and thus damping behavior with a minimal energy requirement and a reduced overall size of the actuator and which allows the use of inexpensive sensors.
  • the damping device has a differential cylinder, two hydraulic machines with adjustable swivel angles, an electric motor assigned to the hydraulic machines, a hydraulic accumulator and a tank.
  • a hydraulic machine is arranged in the pressure medium flow path between the tank and an annular space on the piston rod side, and the second hydraulic machine is positioned in the pressure medium flow path between the annular space and a cylinder space of the differential cylinder.
  • displacement machines with a constant absorption volume can also be used.
  • the variable volume flow required for the desired cylinder speed is then achieved by means of a variable-speed electric motor.
  • the electric motor is basically only necessary to put the damping device into operation with low vibration excitation, to specify the speed, or to make the excess power usable as electricity or to compensate for frictional losses.
  • the differential cylinder is mounted in a stationary manner via its piston on an end abutment of a cable-stayed bridge, its cylinder jacket being displaceable in the longitudinal direction of the piston.
  • a stay cable of the stay cable bridge is attached to the cylinder jacket, so that by appropriate control of the differential cylinder, the vibrations acting in the structure or the dynamic forces thereby acting in the stay cable are damped by a longitudinal displacement of the cylinder jacket - in accordance with the damping law, whereby uncontrolled tensions within the structure can be avoided ,
  • the longitudinal displacement of the cylinder jacket as a result of external loads is made possible by adjusting the swivel angle of the hydraulic machines.
  • the swivel angles are adjustable so that the speed with the cylinder jacket moves is proportional to the external loads. This means that large loads cause large swivel angles, so that high pressure medium volume flows can be realized, while small loads require small swivel angles, so that low pressure medium volume flows are possible.
  • the cylinder jacket of the differential cylinder is mounted in a stationary manner and the piston of the differential cylinder is guided in an axially displaceable manner.
  • the swivel angle or delivery volume is set as a function of a pressure signal from a pressure transducer arranged in the annular space or cylinder space.
  • a further embodiment provides a pressure sensor in the cylinder space and / or in the area of the hydraulic accumulator for measuring and adapting the hydraulic accumulator pressure and the hydraulic accumulator charge to the respective static load.
  • the hydraulic accumulator is integrated in the differential cylinder, so that a compact design is realized.
  • the annular space of the differential cylinder is relative to the environment and / or sealed the cylinder space via a gap seal, which is formed via an annular gap between the piston-side and the cylinder jacket-side surfaces.
  • the annular gap for sealing the annular space from the outside environment opens into a leakage connection, at least one sealing element being provided beyond the leakage connection for sealing the annular gap from the atmosphere.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a cable-stayed bridge
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through an embodiment according to the invention with an external hydraulic accumulator
  • Figure 3 shows a longitudinal section through an embodiment of the invention with a hydraulic accumulator integrated in the differential cylinder and
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a differential cylinder with gap seals according to the invention.
  • Figure 1 shows a cable-stayed bridge 2 with a carriageway 4 which is supported by main girders 6.
  • the carriageway 4 is suspended on stay cables 8 which are supported by the main girders 6.
  • the stay cables 8 are supported by damping devices 10 on end abutments 12 of the roadway 4, so that cover vibrations can be damped.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of a damping device 10.
  • the damping device 10 has a differential cylinder 14, two hydraulic machines 22, 24, an electric motor 26, a hydraulic accumulator 42 and a tank 20.
  • the differential cylinder 14 has a stepped piston 16 which divides the space formed by the cylinder jacket 18 into two pressure spaces - an annular space 32 on the piston rod side and a cylinder space 34.
  • the piston 16 of the differential cylinder 14 is fixedly mounted on the end abutment 12 via its radially stepped down part 28 - hereinafter referred to as the piston rod - so that a stroke movement takes place via a longitudinal displacement of the cylinder jacket 18. Due to the hydraulic clamping of the piston 16 on both sides, pressure medium is displaced from the one pressure chamber 32, 34 with each stroke movement and conveyed into the other pressure chamber 34, 32, with missing or excess pressure medium volumes being compensated for by the tank 20.
  • the stay cable 8 engages on the cylinder jacket 18, so that the pretensioning of the stay cable 8 is predetermined via the pressures prevailing in the annular space 32 and cylinder space 34.
  • the first hydraulic machine 22 is arranged in a first working line 36 between the low-pressure side tank 20 and the high-pressure side annular space 32, it being connected to the electric motor 26. It has an adjustable delivery volume and can be used as a pump or motor.
  • the second hydraulic machine 24 is arranged in a second working line 38 between the high-pressure side annular space 32 and the high-pressure side cylinder space 34, the second working line 38 preferably opening into the first working line 36.
  • the second hydraulic machine 24 also has an adjustable delivery volume, is also connected to the electric motor 26 and can be used as a pump or motor.
  • Both hydraulic or displacement machines 22, 24 convey in two directions during the vibration damping, the first hydraulic machine 22 being resistant to high pressure on only one side, i.e. on the annulus side and low pressure is present on the other side, i.e. on the tank side, while the second hydraulic machine 24 is highly pressure-resistant on both sides, i.e. on the annulus side and on the cylinder space side, and the direction of the pressure difference can also be reversed in accordance with 4-quadrant operation.
  • the delivery volumes of the hydraulic machines 22, 24 can be set as a function of the signal from a load cell 40.
  • the load cell 40 is arranged in the area of the stay cable 8-cylinder jacket 18 connection and is assigned to a control circuit of the hydraulic machines 22, 24. It detects the loads acting on the stay cable 8 and forwards the tensile stresses or tensile forces detected thereby to the control loop, so that it depends on the swivel angle of the hydraulic machines 22, 24 adjusts these external loads.
  • Another embodiment provides that instead of the costly force measurement, the pressure prevailing in the annular space 32 or cylinder space 34 is used as the feedback variable of the control loop. This can be done, for example, via a pressure transducer (not shown) arranged in the annular space 32 or cylinder ram 34.
  • a hydraulic accumulator 42 is provided, which is connected to the second working line 38 and the cylinder space 34 by means of a third working line 44, so that the pressure in the cylinder space 34 becomes largely independent of the cylinder stroke and the pre-set pressure always prevails.
  • the accumulator charge and the regulation of the accumulator pressure of the hydraulic accumulator 42 can advantageously be achieved by mutually adjusting the delivery volumes of the hydraulic machines 22, 24.
  • a pressure on ⁇ is contractor or pressure transmitter is provided which is preferably arranged in the hydraulic accumulator connection or in the working line 38 or in the cylinder chamber 34th
  • the electric motor 26 is operatively connected to the two hydraulic machines 22, 24, whereby it can be used both as a drive for the hydraulic machines 22, 24 and can be driven in the form of a generator by the hydraulic machines 22, 24 and thus acts as a brake.
  • the preset pressures in the pressure chambers 32, 34 can be set and the hydraulic accumulator 42 can be charged.
  • the hydraulic energy generated by the first hydraulic machine 22 or the second hydraulic machine 24 can also be generated by switching the Electric motor 26 can be converted into electrical energy as a generator.
  • the cylinder jacket 18 moves to the left in FIG. 1, so that the cylinder space 34 is reduced and the annular space 32 is enlarged.
  • the pressure in the annular space 32 drops below the preset pressure (for example ⁇ 100 bar), while the pressure in the cylinder space 34 remains essentially unchanged (for example 200 bar) due to the balancing effect of the hydraulic accumulator 42.
  • Pressure medium thus flows from the cylinder space 34 via the second hydraulic machine 24 into the annular space 32, the second hydraulic machine 24 being driven by the pressure medium flow and acting as a hydraulic motor.
  • This drives the first hydraulic machine 22, so that this pressure medium delivers from the tank 20 into the annular space 32.
  • the first hydraulic machine 22 thus acts as a pump.
  • this further customer is the electric motor 26, which in this arrangement tion is operated as a generator and thus the excess hydraulic energy of the second hydraulic machine 24 is converted into electrical energy or acts as a brake.
  • the first hydraulic machine 22 acts as a pump
  • the second hydraulic machine 24 acts as a motor for the first hydraulic machine 22
  • the electric motor 26 optionally acts as a generator, wherein a movement of the cylinder jacket 18 damping the bridge deck vibration is realized.
  • the first hydraulic machine 22 acts as a motor for the second Hydromachine 24, the second hydromachine 24 as a pump, and the electric motor 26 optionally as a generator, a movement of the cylinder jacket 18 damping the bridge deck vibration being realized.
  • a damping device 10 is created according to the invention, which functions in the prestressed state essentially without external energy supply.
  • all the energy required to maintain or balance the pressures can be covered from the vibration energy in accordance with the design of the damping device 10 according to the invention.
  • the hydraulic accumulator 42 is not arranged externally, but is integrated in the differential cylinder 14 with its accumulator 64.
  • the cylinder jacket 18 is extended in this embodiment and delimits the memory 64, which is separated from the cylinder chamber 34 by a partition wall 46. To provide additional gas volume, this is connected to external expansion tanks 68.
  • the partition wall 46 is acted upon by the pressure pH in the cylinder space 34 on the cylinder space side, so that it is axially displaced depending on the ratio between the gas pressure pG and the pressure pH and the pressure pH in the cylinder space 34 is largely constant in accordance with the laws of the state variables of the gas is held.
  • Such an arrangement of the hydraulic accumulator 42 is particularly compact. Furthermore, the piping is simple since no pressure medium line between the hydraulic accumulator 42 and the cylinder space 34 is necessary.
  • the differential cylinder 14 has a multi-part piston 16 and a cylinder jacket 18.
  • the differential cylinder 14 has on the free end section 90 of its piston 16 a receptacle 72 for supporting the differential cylinder 14 on the end abutment 12 and on the cylinder jacket 18 a receptacle 70 for fastening a stay cable 8.
  • the differential cylinder 14 has a stroke measuring device 76 which is arranged on the end face of the cylinder jacket 18 and is operatively connected to the piston 16.
  • the piston 16 has an annular element 66 which is operatively connected to a rod-shaped element 78 arranged on the cylinder jacket 18.
  • the annular element 66 changes its relative position in relation to the longitudinal axis of the rod-shaped element 78 when the cylinder jacket 18 is lifted, so that the stroke can be determined and a position control of the damping device 10 can be implemented.
  • the annular space 32 (detail x) extends radially between a piston section 52 and an opposite cylinder jacket section 112 and is axially through opposite end faces 92, 94 a sliding sleeve 96 arranged on the cylinder jacket 18 and a spacer sleeve arranged on the received end section 98 of the piston 16 100 limited. It is connected via radial bores 102, which open into an axial pressure channel, not shown, to a pressure connection 104 for connecting the first working line 36 or the hydraulic machines 22, 24.
  • a leakage connection 60 is provided in the cylinder jacket 18 in the region of the sliding sleeve 96.
  • the cylinder space 34 extends radially over the entire inner diameter of the cylinder jacket 18 and is axially delimited by opposite end faces 86, 88 of the cylinder jacket 18 and the piston 16. It is connected via a pressure sleeve 106 arranged in the piston 16 to a pressure connection 108 for connecting the second working line 38 or the second hydraulic machine 24 and the hydraulic accumulator 42.
  • the sealing of the annular space 32 according to the invention from the external environment 62 and the cylinder space 34 is realized via gap seals 48, 82 in the form of annular gaps 58, 84.
  • the annular gap 58 for sealing the annular space 32 from the external environment 62 is formed between the inner circumferential surface 54 of the sliding sleeve 96 and the respective outer circumferential section 50 of the piston 16.
  • the annular gap 58 opens into a leak connection 60.
  • the annular gap 84 for sealing the annular space 32 from the cylinder space 34 is formed between the outer peripheral surface 52 of the spacer sleeve 100 and the respective opposite inner peripheral portion 112 of the cylinder jacket 18.
  • annular gaps 58, 84 In order to achieve a sufficient tightness and a sufficiently large pressure reduction via the annular gaps 58, 84, these must be designed to be radially narrow and axially long.
  • radial sealing elements or wipers 80, 110 are provided, which seal the annular gap 58 with respect to the external environment 62. Due to the small pressure gradient between the pressure of the external environment 62 and the pressure of the pressure medium in the area of the leak connection 60, only low-pressure seals 80, 110 are necessary. In addition to dispensing with high-pressure seals for sealing the annular space 32, it is particularly positive about the gap seals 48, 82 according to the invention that the friction between opposite piston-side surfaces 50, 54 and cylinder jacket-side surfaces 52, 56 is reduced, so that such a differential cylinder 14 has a better response than has comparable differential cylinder 14 with conventional seals.
  • a damping device in particular for cable-supported structures such.

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Abstract

Offenbart ist eine Dämpfungsvorrichtung, insbesondere für seilgetragene Bauwerke wie z. B. Schrägseilbrücken, Stadiondächer, abgespannte Türme mit einem Differentialzylinder, zwei Hydromaschinen (22, 24) und einem Elektromotor (26), bei der bei Dämpfung di,e eine Hydromaschine (24) als Motor und die zweite Hydromaschine (22) als Pumpe wirkt, wobei überschüssige hydraulische Energie über den Elektromotor (26) in elektrische Energie umwandelbar ist.

Description

Beschreibung Dämpfungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsvorrichtung insbesondere für seilgetragene Bauwerke wie z. B. Schrägseilbrücken, Stadiondächer, abgespannte Türme nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Dabei wird unter dem Begriff "Dämpfungsvorrichtung" eine hydraulische Linearachse für eine semiaktive bzw. aktive Dämpfung, bei der im wesentlichen nur Steuerenergie eingetragen wird, verstanden.
Schrägseilbrücken werden heutzutage für Stützweiten von etwa 150 m bis 600 als wirtschaftlichste Lösung betrachtet. Jüngste Entwicklungen zeigen, dass auch Stützweiten von bis zu 1000 m möglich sind.
Die materialsparende schlanke Ausbildung großer Schrägseilbrücken ergibt zwar eine architektonisch ansprechende Konstruktion, die geringe Eigendämpfung führt aber zu extrem schwingungsanfälligen Bauwerken. Insbesondere durch Windanregung können Schwingungsamplituden erreicht werden, die eine Sperrung für den Verkehr erforderlich machen. Die Beanspruchung der Bauwerksteile (Deck und Seile) ist enorm und die damit verbundenen Folgekosten sind beträchtlich.
Der Wirkung bekannter passiver Dämpfer auf die Deckschwingungen ist nicht zufriedenstellend. Aktive Dämpfungsvorrichtungen hingegen, speziell in den Endwiderlagern der Schrägseile vorgesehen, bewirken eine signifikante Reduzierung der Schwingungsamplitude. Die bekannten Ausführungen weisen jedoch - neben dem Bedarf an elektrischer Stellenergie - einen erheblichen Energieverbrauch auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dämpfungsvorrichtung zu schaffen, die bei minimalem Energiebedarf und verringerter Baugröße des Aktors ein verbes- sertes Ansprech- und somit Dämpfungsverhalten aufweist und den Einsatz kostengünstiger Sensorik erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Dämpfungsvorrichtung mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1.
Die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung weist einen Differentialzylinder, zwei Hydromaschinen mit verstellbaren Schwenkwinkeln, einen den Hydromaschinen zugeordneten Elektromotor, einen Hydrospeicher und einen Tank auf. Eine Hydromaschine ist im Druckmittelströmungspfad zwischen dem Tank und einem kolbenstangenseitigen Ringraum angeordnet und die zweite Hydromaschine ist im Druckmittelströmungspfad zwischen dem Ringraum und einem Zylinderraum des Differentialzylinders positioniert.
Anstelle der verstellbaren Hydro- bzw. Verdrängermaschinen können auch Verdrängermaschinen mit konstantem Schluckvolumen eingesetzt werden. Der für die gewünschte Zylindergeschwindigkeit erforderliche variable Volumen- ström wird dann mittels drehzahlvariablem Elektromotor erreicht .
Durch diese erfindungsgemäße Anordnung der Hydromaschinen stützen sich diese gegeneinander derart ab, dass im quasistatischem Zustand bei entsprechender Auslegung der Hydromaschinen (in Abhängigkeit der gewählten Druckverhältnisse) das verbleibende Drehmoment Null ist (Reibung und ändere Verluste vernachlässigt) und somit der Elektromotor nahzu drehmomentenfrei die Drehzahl vorgibt. Dabei wirkt eine der Hydromaschinen als Motor und treibt die zweite Hydromaschine, die als Pumpe wirkt, an.
Wird, infolge der Schwingungen, die Dämpfungsvorrich- tung mit dynamischen Kräften beaufschlagt, wirkt an der motorisch arbeitenden Hydromaschine eine höhere Druckdifferenz, während die im Pumpenbetrieb befindliche Hydromaschine gegen eine geringere Druckdifferenz fördern muß. Dieser Energieüberschuß wird - sofern er die Reibungs- und sonstigen Verluste, die sich im Leistungfluß ergeben, übersteigt - vom Elektromotor aufgenommen und kann ins elektrische Netz eingespeist werden.
Der Elektromotor ist grundsätzlich nur notwendig, um die Dämpfungsvorrichtung bei geringer Schwingungsanregung in Betrieb zu setzen, die Drehzahl vorzugeben, bzw. um die überschüssige Leistung als Strom nutzbar zu machen oder Reibungsverluste auszugleichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Diffe- rentialzylinder über seinen Kolben ortsfest an einem Endwiderlager einer Schrägseilbrücke gelagert, wobei sein Zylindermantel in Längsrichtung des Kolbens verschiebbar ist. An dem Zylindermantel ist ein Schrägseil der Schrägseilbrücke befestigt, so dass durch geeignete Ansteuerung des Differentialzylinders die in der Sruktur wirkenden Schwingungen bzw. die dadurch im Schrägseil wirkenden dynamischen Kräfte durch eine Längsverschiebung des Zylindermantels - entsprechend Dämpfungsgesetz gedämpft werden, womit unkontrollierte Spannungen innerhalb Struktur vermeidbar sind.
Die Längsverschiebung des Zylindermantels in Folge von äußeren Belastungen wird durch Verstellen der Schwenkwinkel der Hydromaschinen ermöglicht. Die Schwenkwinkel sind so einstellbar, dass die Geschwindigkeit, mit der sich der Zylindermantel bewegt, proportional zu den äußeren Belastungen ist. D.h. große Belastung bedingt große Schwenkwinkel, so dass hohe Druckmittelvolumenströme realisierbar sind, während kleine Belastungen kleine Schwenkwinkel bedingen, so dass geringe Druckmittelvolumenströme möglich sind.
Bei einer Ausführungsform ist der Zylindermantel des Differentialzylinders ortsfest gelagert und der Kolben des Differentialzylinders axial verschiebbar geführt.
Bei einer anderen Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Schwenkwinkel bzw. Fördervolumina in Abhängigkeit eines Drucksignals eines im Ringraum oder Zylin- derraum angeordneten Druckaufnehmers .
Im statischen Zustand (Hub = 0) ist eine Vorspannung des Schrägseils über die im Ringraum und Zylinderraum herrschenden Drücke eingestellt. Idealerweise wird der Druck im Zylinderraum, der die statische Seillast aufnimmt, auf den max. zulassigen Systemdruck ausgelegt. Im Ringraum des Differentialzylinders wird etwa halber Systemdruck angestrebt.
Eine weitere Ausführungsform sieht zur Messung und zur Anpassung des Hydrospeicherdrucks und der Hydropei- cherladung an die jeweilige statische Last einen Druckaufnehmer im Zylinderraum und/oder im Bereich des Hydro- speichers vor.
Bei einer Ausführungsform ist der Hydrospeicher im Differentialzylinder integriert, so dass eine kompakte Bauweise realisiert ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Ringraum des Differentialzylinders gegenüber der Umgebung und/oder dem Zylinderraum über eine Spaltdichtung abgedichtet, die über einen Ringspalt zwischen kolbenseitigen und zylin- dermantelseitigen Flächen gebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform mündet der Ringspalt zur Abdichtung des Ringraums gegenüber der Außenumgebung in einen Leckanschluß, wobei jenseits des Leckanschlusses zumindest ein Dichtungselement zum Abdichten des Ringspaltes gegenüber der Atmosphäre vorgesehen ist.
Besonders vorteilhaft an einer derartigen erfindungsgemäßen Spaltdichtung ist, dass die Reibung auf ein Minimum reduziert ist und auf kostenintensive und störanfällige Hochdruckdichtungen verzichtet werden kann.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsformen anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Schrägseilbrücke,
Figur 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemä- ße Ausbildungsform mit einem externen Hydrospeicher,
Figur 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausbildungsform mit einem im Differentialzylinder integrierten Hydrospeicher und
Figur 4 einen Längsschnitt durch einen Differential- zylinder mit erfindungsgemäßen Spaltdichtungen.
Figur 1 zeigt eine Schrägseilbrücke 2 mit einer Fahrbahn 4, die über Hauptträger 6 abgestützt ist. Zur Reduzierung der auf die Hauptträger 6 wirkenden Belastungen ist die Fahrbahn 4- an Schrägseilen 8 aufgehängt, die über die Hauptträger 6 abgestützt sind. Die Schrägseile 8 sind über Dämpfungsvorrichtungen 10 an Endwiderlagern 12 der Fahrbahn 4 gelagert, so dass Deckschwingungen gedämpft werden können.
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Dämpfungsvorrichtung 10. Die Dämpfungsvorrichtung 10 hat einen Differentialzylinder 14, zwei Hydromaschinen 22, 24, einen Elektromotor 26, einen Hydrospeicher 42 und einen Tank 20.
Der Differentialzylinder 14 weist einen abgestuften Kolben 16 auf, der den durch den Zylindermantel 18 gebildeten Raum in zwei Druckräume - einen kolbenstangenseiti- gen Ringraum 32 und einen Zylinderraum 34 - unterteilt.
Der Kolben 16 des Differentialzylinders 14 ist über seinen radial zurückgestufte Teil 28 - im Folgenden Kolbenstange genannt - ortsfest an dem Endwiderlager 12 gelagert, so dass eine Hubbewegung über eine Längsver- Schiebung des Zylindermantels 18 erfolgt. Aufgrund der beidseitigen hydraulischen Einspannung des Kolbens 16, wird bei jeder Hubbewegung Druckmittel aus dem einen Druckraum 32, 34 verdrängt und in den anderen Druckraum 34, 32 nachgefördert, wobei fehlende bzw. überschüssige Druckmittelvolumen durch den Tank 20 ausgleichbar sind.
Am Zylindermantel 18 greift das Schrägseil 8 an, so dass die Vorspannung des Schrägseils 8 über die im Ringraum 32 und Zylinderraum 34 herrschenden Drücke vorbe- stimmt ist.
In kinematischer Umkehr ist ist jedoch auch vorstellbar, den Zylindermantel 18 ortsfest an dem Endwiderlager 12 zu lagern und die Kolbenstange 28 mit dem Schrägseil 8 zu verbinden. Die erste Hydromaschine 22 ist in einer ersten Arbeitsleitung 36 zwischen dem niederdruckseitigen Tank 20 und dem hochdruckseitigen Ringraum 32 angeordnet, wobei sie in Verbindung mit dem Elektromotor 26 steht. Sie hat ein einstellbares Fördervolumen und ist als Pumpe oder Motor nutzbar.
Die zweite Hydromaschine 24 ist in einer zweiten Arbeitsleitung 38 zwischen dem hochdruckseitigen Ringraum 32 und dem hochdruckseitigen Zylinderraum 34 angeordnet, wobei die zweite Arbeitsleitung 38 vorzugsweise in die erste Arbeitsleitung 36 mündet. Entsprechend der ersten Hydromaschine 22 hat auch die zweite Hydromaschine 24 ein einstellbares Fördervolumen, steht ferner mit dem Elek- tromotor 26 in Verbindung und ist als Pumpe oder Motor nutzbar.
Beide Hydro- bzw. Verdrängermaschinen 22, 24 förden während der Schwingungsdämpfung in zwei Richtungen, wobei die erste Hydromaschine 22 nur auf einer Seite hochdruckfest ist, d.h. ringraumseitig, und an der anderen Seite Niederdruck anliegt, d.h. tankseitig, während die zweite Hydromaschine 24 auf beiden Seiten hochdruckfest, d.h. ringraumseitig und zyinderraumseitig, sein muß und sich auch die Richtung der Druckdifferenz entsprechend einem 4-Quadrantenbetrieb umkehren kann.
Die Fördervolumina der Hydromaschinen 22, 24 sind in Abhängigkeit vom Signal einer Kraftmessdose 40 einstell- bar. Die Kraftmessdose 40 ist im Bereich der Verbindung Schrägseil 8 - Zylindermantel 18 angeordnet und einem Regelkreis der Hydromaschinen 22, 24 zugeordnet. Sie erfaßt die auf das Schrägseil 8 wirkenden Belastungen und leitet die dabei erfaßten Zugspannungen bzw. Zugkräfte an den Regelkreis weiter, so dass dieser in Abhängigkeit von diesen äußeren Belastungen die Schwenkwinkel der Hydromaschinen 22, 24 einstellt.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, anstelle der kostenintensiven Kraftmessung den im Ringraum 32 oder Zylinderraum 34 herrschenden Druck als Rückführungsgröße des Regelkreises zu verwenden. Dies kann beispielsweise über einen im Ringraum 32 oder Zylinderram 34 angeordneten Druckaufnehmer (nicht dargestellt) erfolgen.
Des Weiteren ist ein Hydrospeicher 42 vorgesehen, der mittels einer dritten Arbeitsleitung 44 mit der zweiten Arbeitsleitung 38 und dem Zylinderraum 34 verbunden ist, so dass der Druck im Zylinderraum 34 weitgehend unabhän- gig vom Zylinderhub wird und stets etwa der voreingestellte Druck herrscht.
Die Speicherladung und die Regelung des Speicherdruckes des Hydrospeichers 42 kann vorteilhaft durch gegenseitiges Vertrimmen der Fördervolumina der Hydromaschinen 22, 24 erreicht werden. Hierzu ist ein Druckauf¬ nehmer bzw. Druckmessumformer vorgesehen, der vorzugsweise im Hydrospeicheranschluß bzw. in der Arbeitsleitung 38 oder im Zylinderraum 34 angeordnet ist.
Der Elektromotor 26 steht mit den beiden Hydromaschinen 22, 24 in Wirkverbindung, wobei er sowohl als Antrieb für die Hydromaschinen 22, 24 nutzbar, als auch in Form eines Generators durch die Hydromaschinen 22, 24 antreib- bar ist und somit als Bremse wirkt. Beispielsweise können über das Antreiben der Hydromaschinen 22, 24 die voreingestellten Drücke in den Druckräumen 32, 34 eingestellt und der Hydrospeicher 42 aufgeladen werden. Es kann jedoch auch im Betrieb bei Dämpfung die von der ersten Hydromaschine 22 öder der zweiten Hydromaschine 24 erzeugte hydraulische Energie durch die Schaltung des Elektromotors 26 als Generator in elektrische Energie umgewandelt werden.
Die Wirkungsweise dieser vorbeschriebenen erfindungs- gemäßen Anordnung ist im Folgenden näher erläutert:
Im quasi statischen Zustand (Hub = 0) befindet sich die Dämpfungsvorrichtung 10 im Gleichgewicht bzw. in Ruheposition. Dabei ist vorzugsweise im Zylinderraum 34 ein doppelt so hoher Druck wie im Ringraum 32 eingestellt, so dass etwa die erste und zweite Hydromaschine 22, 24 mit der gleichen Druckdifferenz beaufschlagt sind. Da keine Schwingungsbelastungen auf das Schrägseil 8 wirken, sind über die Kraftmessdose 40 keine Kraftände- rungen messbar. Die Schwenkwinkel der Hydromaschinen 22, 24 befindet sich in ihrer Grundstellung, d.h. Schwenkwinkel = 0.
Im Schwingungszustand (Hub ≠ 0) wirken infolge der Schwingungen dynamische Kräfte im Schrägseil 8, wodurch das Gleichgewicht gestört ist. Dabei ist grundsätzlich zwischen Zug- und "Druck"-Beanspruchung zu unterscheiden. Da für die Dämpfungsregelung nur Abweichungen vom statischen Mittelwert relevant sind (die statischen Lasten sind durch die Druckvorspannung bereits kompensiert) , bedeutet Zugbeanspruchung im Folgenden, dass die im Schrägseil 8 wirkende - infolge Schwingung - erhöhte Zugbeanspruchung auf den Zylindermantel 18 bzw. das Zylindergehäuse tendenziell zu einer Druckerhöhung im Zylinderraum 34 führt bzw. Hydraulikmedium von dort in den Hydrospeicher 42 verdrängt wird, während dies im Ringraum 32 zu einer Verringerung des Druckes führt. Hingegen bedeutet, dass die im Schrägseil 8 wirkende Zugspannung unter die voreingestellte Zugspannung fällt. D.h. bei Zug bewegt sich der Zylindermantel 18 gemäß Figur 1 nach links und bei "Druck" nach rechts. Die Kraftmessdose 40 erfaßt die auftretenden Zugspannungen, wobei in Abhängigkeit vom Signal der Kraftmessdose 40 die Fördervolumina der Hydromaschinen 22, 24 so eingestellt werden, dass ein Hub des Zylindermantels 18 zugelassen wird. Druckmittel wird über die jeweilige Arbeitsleitung 36, 38 aus dem sich verkleinernden Druckraum 32, 34 verdrängt, wobei Druckmittel in den sich vergrößernden Druckraum 34, 32 über die eine Hydromaschi- ne 22, 24 nachgefördert (Pumpenfunktion) wird. Dabei wird die als Pumpe geschaltete Hydromaschine 22, 24 von der anderen Hydromaschine 24, 22 angetrieben (Motor) .
Bei erhöhter Zugbeanspruchung im Schrägseil 8 bewegt sich der Zylindermantel 18 in Figur 1 nach links, so dass der Zylinderraum 34 verkleinert und der Ringraum 32 vergrößert wird. Gleichzeitig sinkt der Druck im Ringraum 32 unter den voreingestellten Druck (beispielsweise < 100 bar) , während der Druck im Zylinderraum 34 aufgrund der ausgleichenden Wirkung des Hydrospeichers 42 im wesentlichen unverändert bleibt (beispielsweise 200 bar) . Somit strömt Druckmittel aus dem Zylinderraum 34 über die zweite Hydromaschine 24 in den Ringraum 32, wobei die zweite Hydromaschine 24 von dem Druckmittelstrom ange- trieben wird und als Hydromotor wirkt. Diese treibt dann die erste Hydromaschine 22 an, so dass von dieser Druckmittel aus dem Tank 20 in den Ringraum 32 gefördert wird. Somit wirkt die erste Hydromaschine 22 als Pumpe. Da der Druckabfall über der zweiten Hydromaschine 24 größer als der Druckabfall über der ersten Hydromaschine 22 ist, kann durch die zweite Hydromaschine 24 (Motor) mehr Leistung erzeugt werden, als für den Antrieb der ersten Hydromaschine 22 notwendig ist, so dass neben der ersten Hydromaschine 22 (Pumpe) noch ein weiterer Abnehmer betrieben werden könnte. Dieser weitere Abnehmer ist erfindungsgemäß der Elektromotor 26, die in dieser Anord- nung als Generator betrieben wird und somit die überschüssige hydraulische Energie der zweiten Hydromaschine 24 in elektrische Energie umwandelt bzw. als Bremse wirkt.
Somit wirkt bei Zugbeanspruchung des Schrägseils 8 die erste Hydromaschine 22 als Pumpe, die zweite Hydromaschine 24 als Motor für die erste Hydromaschine 22, und der Elektromotor 26 optional als Generator, wobei eine, die Brückendeckschwingung dämpfende Bewegung des Zylindermantels 18, realisiert wird.
Bei Bewegung des Schrägseils 8 nach rechts bewegt sich der Zylindermantel 18 nach rechts, so dass der Zylinderraum 34 vergrößert und der Ringraum 32 verkleinert wird. Der Druck im Ringraum 32 steigt an (beispielsweise > 100 bar) , während der Druck im Zylinderraum 34 über den Hydrospeicher 42 konstant gehalten wird (beispielsweise 200 bar) . Gleichzeitig strömt Druck- mittel aus dem Ringraum 32 über die erste Hydromaschine 22 in den Tank 20, so dass diese von dem Druckmittelstrom angetrieben wird und als Hydromotor wirkt. Diese treibt dann die zweite Hydromaschine 24 an, so dass diese als Pumpe wirkt und Druckmittel aus dem Ringraum 32 in den Zylinderraum 34 fördert. Dabei erzeugt die erste Hydromaschine 22 (Motor) mehr Leistung, als zum Antrieb der zweiten Hydromaschine 24 (Pumpe) erforderlich ist, so dass ein weiterer Abnehmer betrieben werden könnte. Dieser weitere Abnehmer ist erfindungsgemäß der Elektro- motor 26, der in dieser Anordnung als Generator betrieben wird und somit die überschüssige hydraulische Energie der ersten Hydromaschine 22 in elektrische Energie umwandelt bzw. als Bremse wirkt.
Somit wirkt bei "Druckbeanspruchung" des Schrägseils 8 die erste Hydromaschine 22 als Motor für die zweite Hydromaschine 24, die zweite Hydromaschine 24 als Pumpe, und der Elektromotor 26 optional als Generator, wobei eine, die Brückendeckschwingung dämpfende Bewegung des Zylindermantels 18, realisiert wird.
Dadurch ist erfindungsgemäß eine Dämpfungsvorrichtung 10 geschaffen, die im vorgespannten Zustand im wesentlichen ohne externe Energiezufuhr funktioniert. Sämtliche notwendige Energie zum Erhalt bzw. Ausgleich der Drücke kann entsprechend der erfindungsgemäßen Ausbildung der Dämpfungsvorrichtung 10 prinzipiell aus der Schwingungsenergie gedeckt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Differenti- alzylinders 14 (Figur 3) ist der Hydrospeicher 42 nicht extern angeordnet, sondern im Differentialzylinder 14 mit seinem Speicher 64 integriert. Der Zylindermantel 18 ist bei dieser Ausführungsform verlängert und begrenzt den Speicher 64, der über eine Trennwand 46 vom Zylinderraum 34 getrennt ist. Zur Bereitstellung zusätzlichen Gasvolumens ist dieser mit externen Ausgleichsbehältern 68 verbunden. Die Trennwand 46 ist zylinderraumseitig mit dem Druck pH in dem Zylinderraum 34 beaufschlagt, so dass diese je nach dem Verhältnis zwischen dem Gasdruck pG und dem Druck pH axial verschoben und der Druck pH im Zylinderraum 34 entsprechend der Gesetzmäßigkeiten der Zu- standsgrößen des Gases weitgehend konstant gehalten wird.
Eine derartige Anordnung des Hydrospeichers 42 ist besonders kompakt aufgebaut. Des Weiteren ist die Verrohrung einfach, da keine Druckmittelleitung zwischen dem Hydrospeicher 42 und dem Zylinderraum 34 notwendig ist.
Figur 4 zeigt ' eine bevorzugte Ausführungsform eines Differentialzylinders 14 mit einer erfindungsgemäßen Abdichtung eines Ringraums 32 gegenüber einer Außenumgebung 62 und gegenüber einem Zylinderraum 34. Der Diffe- rentialzylinder 14 weist einen mehrteiligen Kolben 16 und einen Zylindermantel 18 auf. Der Differentialzylinder 14 hat am freien Endabschnitt 90 seines Kolbens 16 eine Aufnahme 72 zur Abstützung des Differentialzylinders 14 am Endwiderlager 12 und am Zylindermantel 18 eine Aufnahme 70 zur Befestigung eines Schrägseils 8.
Zur Messung des Hubes des Zylindermantels 18 hat der Differentialzylinder 14 eine Hubmesseinrichtung 76, die stirnseitig am Zylindermantel 18 angeordnet ist und mit dem Kolben 16 in Wirkverbindung steht. Dabei weist der Kolben 16 ein ringförmiges Element 66 auf, dass in Wirk- Verbindung mit einem am Zylindermantel 18 angeordneten stabförmigen Element 78 steht. Das ringförmige Element 66 ändert bei Hüben des Zylindermantels 18 seine Relativposition in Bezug zur Längsachse des stabförmigen Elements 78, so dass der Hub bestimmt werden kann und eine Positi- onsregelung der Dämpfungsvorrichtung 10 realisiert werden kann.
Der Ringraum 32 (Detail x) erstreckt sich radial zwischen einem Kolbenabschnitt 52 und einem gegenüberliegen- den Zylindermantelabschnitt 112 und ist axial durch gegenüberliegende Stirnflächen 92, 94 einer am Zylindermantel 18 angeordnete Gleithülse 96 und einer auf dem im aufgenommenen Endabschnitt 98 des Kolbens 16 angeordneten Distanzhülse 100 begrenzt. Er ist über radiale Bohrungen 102, die in einen nicht dargestellten axialen Druckkanal münden, mit einem Druckanschluß 104 zum Anschluß der ersten Arbeitsleitung 36 bzw. der Hydromaschinen 22, 24 verbunden. Im Bereich der Gleithülse 96 ist im Zylindermantel 18 ein Leckanschluß 60 vorgesehen. Der Zylinderraum 34 erstreckt sich radial über den gesamten Innendurchmesser des Zylindermantels 18 und ist axial durch gegenüberliegende Stirnflächen 86, 88 des Zylindermantels 18 und des Kolbens 16 begrenzt. Er ist über einen im Kolben 16 angeordnete Druckhülse 106 mit einem Druckanschluß 108 zum Anschluß der zweiten Arbeitsleitung 38 bzw. der zweiten Hydromaschine 24 und des Hydrospeichers 42 verbunden.
Die erfindungsgemäße Abdichtung des Ringraums 32 gegenüber der Außenumgebung 62 und dem Zylinderraum 34 ist über Spaltdichtungen 48, 82 in Form von Ringspalten 58, 84 realisiert. Dabei ist der Ringspalt 58 zur Abdichtung des Ringraums 32 gegenüber der Außenumgebung 62 zwischen der Innenumfangsflache 54 der Gleithülse 96 und dem jeweiligen Außenumfangsabschnitt 50 des Kolbens 16 gebildet. Der Ringspalt 58 mündet in einen Leckanschluß 60. Der Ringspalt 84 zur Abdichtung des Ringraums 32 gegenüber dem Zylinderraum 34 ist zwischen der Außenumfangs- fläche 52 der Distanzhülse 100 und dem jeweiligen gegenüberliegendem Innenumfangsabschnitt 112 des Zylindermantels 18 gebildet.
Um eine ausreichende Dichtheit und einen genügend großen Druckabbau über die Ringspalte 58, 84 zu verwirklichen, sind diese radial entsprechend eng und axial entsprechend lang auszubilden.
Erfindungsgemäß sind jenseits des Leckanschlusses 60 radiale Dichtungselemente bzw. Abstreifer 80, 110 vorgesehen, die den Ringspalt 58 gegenüber der Außenumgebung 62 abdichten. Dabei sind aufgrund des geringen Druckgefälles zwischen dem Druck der Außenumgebung 62 und dem Druck des Druckmittels im Bereich des Leckanschlusses 60 nur Niederdruckdichtungen 80, 110 notwendig. Neben dem Verzicht auf Hochdruckdichtungen zur Abdichtung des Ringraums 32 ist an den erfindungsgemäßen Spaltdichtungen 48, 82 besonders positiv, dass die Reibung zwischen gegenüberliegenden kolbenseitigen Flächen 50, 54 und zylindermantelseitigen Flächen 52, 56 reduziert ist, so dass ein derartiger Differentialzylinder 14 ein besseres Ansprechverhalten als vergleichbare Differentialzylinder 14 mit herkömmlichen Dichtungen aufweist.
Offenbart ist eine Dämpfungsvorrichtung, insbesondere für seilgetragene Bauwerke wie z. B. Schrägseilbrücken, Stadiondächer, abgespannte Türme mit einem Differentialzylinder, zwei Hydromaschinen und einem Elektromotor, bei der bei Dämpfung die eine Hydromaschine als Motor und die zweite Hydromaschine als Pumpe wirkt, wobei überschüssige hydraulische Energie über den Elektromotor in elektrische Energie umwandelbar ist.
Bezugszeichenliste
Schrägseilbrücke Fahrbahn Hauptträger Schrägseil Dämpfungsvorrichtung Endwiderlager Differentialzylinder Kolben Zylindermantel Tank erste Hydromaschine zweite Hydromaschine Elektromotor Kolbenstange Ringraum Zylinderraum erste Arbeitsleitung zweite Arbeitsleitung Kraftmessdose Hydrospeicher dritte Arbeitsleitung Trennwand Spaltdichtung Außenumfangsabschnitt Außenumfangsflache Innenumfangsabschnitt Innenumfangsabschnitt Ringspalt Leckanschluß Außenumgebung Speicher ringförmiges Element Ausgleichsbehälter Aufnahme 72 Aufnahme
74 Druckkanal
76 Hubmesseinrichtung
78 stabförmigen Element 80 Dichtungselement (Niederdruckdichtung)
82 Spaltdichtung
84 Ringspalt
86 Stirnfläche
88 Stirnfläche 90 freier Endabschnitt
92 Stirnfläche
94 Stirnfläche
96 Gleithülse
98 aufgenommener Endabschnitt 100 Distanzhülse
102 Bohrungen
104 Druckanschluß
106 Druckhülse
108 Druckanschluß 110 Dichtungselement
112 Zylindermantelabschnitt

Claims

Ansprüche
1. Dämpfungsvorrichtung, insbesondere für Schrägseilbrücken (2), mit einem Differentialzylinder (14), ei- nem Tank (20), zwei Hydromaschinen (22, 24), einem Hydrospeicher (42) und einem den Hydromaschinen (22, 24) zugeordneten Elektromotor (26), dadurch gekennzeichnet, dass eine Hydromaschine (22) im Druckmit- telstfömungspfad zwischen dem Tank (20) und einem kolbestangenseitigen Ringraum (32) und die zweite Hydromaschine (24) im Druckmittelströmungspfad zwischen dem Ringraum (32) und einem Zylinderraum (34) angeordnet ist.
2. Dämpfungsvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydromaschinen (22, 24) jeweils ein verstellbares Fördervolumen aufweisen.
3. Dämpfungsvorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (26) die Hydromaschinen (22, 24) antreibt.
4. Dämpfungsvorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckaufnehmer zur Messung eines im Ringraum (32) und/oder im Zylinderraum (34) herrschenden Drucks zum Einstellen der Schwenkwinkel bzw. Fördervolumina der Hydromaschinen (22, 24) vorgesehen ist.
5. Dämpfungsvorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderraum (34) und/oder im Bereich des Hydrospeichers (42) ein Druckaufnehmer zur Messung eines Speicherdrucks und der Speicherladung des Hydrospeichers (42) und zur Anpassung an die statische Last vorgesehen ist.
6. Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (26) über zumindest eine der Hydromaschinen (22, 24) antreibbar und somit als Generator nutzbar ist.
7. Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im quasi statischen Zustand ein annähernd doppelt so ho- her Druck im Zylinderraum (24) wie im Ringraum (22) herrscht.
8. Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (16) des Differentialzylinders (14) ortsfest gelagert und der Zylindermantel (18) des Differentialzylinders (14) axial verschiebbar geführt ist.
9. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylindermantel (18) des Differentialzylinders (14) ortsfest gelagert und der Kolben (16) des Differentialzylinders (14) axial verschiebbar geführt ist.
10. Dämpfungsvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrospeicher (42) in dem Differentialzylinder (14) integriert ist.
11. Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Ringraum (32) gegenüber der Außenumgebung (62) und/oder gegenüber dem Zylinderraum (34) über eine
Spaltdichtung (48, 82) abgedichtet ist.
12. Dämpfungsvorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdichtung (48, 82) durch einen Ringspalt (58, 84) zwischen kolbenseitigen Flächen- (50, 54) und zylindermantelseitigen Flächen (52, 56) gebildet ist.
13. Dämpfungsvorrichtung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (58) jenseits eines Leckanschlusses (60) über zumindest ein Dichtungselement (80, 110) gegenüber der Außenumgebung (62) abgedichtet ist.
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