VISCOUS DAMPER WITH HEATING ARRANGEMENT

Abstract: 1. Heatable viscous damper, in particular for damping of vibrations of machines and piping, consisting of a damper housing (2) filled with a viscoelastic damping medium (3) and a damping plunger (1) extending into the damping medium, with the properties of the damping medium (3) being strongly temperature-dependent and the viscosity thereof required for the damping being achieved at operating temperatures which lie above the temperature of the surrounding environnent and being maintained by means of heating (6), characterised by a heating control circuit with a temperature sensor (4) for the damping medium (3), a regulator (5) and a measuring apparatus (7) by means of which a force and notion signal is received from the vibrating object and is evaluated in an intermediate member (8) by means of which the regulator (5) is acted upon.

Description: Beheizbarer viskoser Dämpfer Die vorliegende Erfindung betrifft einen beheizbaren viskosen Dämpfer entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Dämpfer entziehen bewegungsfähigen und insbesondere schwingungsfähigen Systemen kinetische Energie. Das Gleiche bewirkt die Werkstoffdämpfung von Strukturen. Folgende Bauformen von Dämpfern sind bekannt: 1. Reibungsdämpfer 2. Hydraulikdämpfer 3. Viskose Dämpfer. Dämpfer werden teils in Verbindung mit Elastizitäten zur Schwingungsisolierung und dabei auch zur Begrenzung von Stossantwortwegen bei Maschinen, Maschinenfundamenten und an Rohrleitungen eingesetzt. Die charakteristische Grösse so gestalteter, schwingungsfähiger Systeme sind die Eigenfrequenzen und Dämpfungsmasse. Beispielsweise kann die schwingungsisolierende Aufstellung von Maschinen als 1. Gründung eines Fundamentblockes mit der Maschine auf dem gewachsenen Erdreich; 2. Lagerung eines Fundamentblockes mit der Maschine auf einer elastisch dämpfenden Zwischenschicht (Korkplatten, Elastomer Platten); 3. Lagerung eines Fundamentes mit der Maschine auf Federkörpern und Dämpfern; 4. direkte Aifstellung der Maschine auf Federkörpern und Dämpfern ausgeführt werden. In den Fällen 1. und 2. ergeben sich die Lagerungselastizitäten und -dämpfungen aus den Bodenkennwerten bzw. aus den Kennwerten des Plattenmaterials. Diese Kennwerte sind kaum veränderbare Grössen. In den Fällen 3. und 4. wird die Lagerungselastizität meist durch Metallfedern erreicht. Zur davon unabhänigen Lagerungsdämpfung können die drei obigen Bauformen von Dämpfern eingesetzt werden. Beim Reibungsdämpfer (Bauform 1) kann die Dämpfungskraft in bekannter Weise durch Änderung der Vorspannkraft der Reibelemente variiert werden. Am Hydraulikdämpfer (Bauform 2) ist die Einstellbarkeit der Dämpfungs kraft durch Änderung von Drosselquerschnitten für die Hydraulikflüs sigkeit ebenfalls gegeben. Da die Verstellung der Dämpfer zweckmässigerweise am Stator, d. h. an dem mit dem schwingenden Objekt nicht verbundenen Teil, erfolgt, ist eine Änderung der Dämpfungskraft auch während des Betriebes der Maschine möglich. Beide Bauformen von Dämpfern werden aufgrund ihres nachteiligen An sp rechve rhaltens (stick-slip-Effekt, Stossübergang) jedoch selten bei der Schwingungsisolierung von Maschinen eingesetzt. Die in den Bewegungsgleichungen von schwingungsfähigen Systemen meist angesetzte ges chwindigkeitsp roportionale Dämp fungskraft wird durch Viskosedämpder technisch verwirklicht. Der Proportionalitätsfaktor wird Dämpfungszahl oder Dämpfungswiderstand genannt. Ein viskoser Dämpfer besteht aus einem Dämpferstempel, der in das in dem Dämpfergehäuse befindliche Dämpfungsmedium getaucht ist. Seine Dämpfungskräfte werden durch Scherung und Verdrängung bei der Relativbewegung von Dämpferstempel und Dämpfungsmedium erzeugt. Die Dämpfungszahl hängt somit von der Dämpfergeometrie und den Eigenschaften des viskoelastischen Dämpungsmediums ab. Die Änderung der Dämpfungszahl ist bei bekannten Konstruktionen von viskosen Dämpfern nur durch den Austausch von Dämpferbauteilen einschliesslich des Dämpfungsmediums oder, bezogen auf die Fundamentlagerung, durch Wahl einer anderen Dämpfergrösse möglich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen viskosen Dämpfer mit während des Betriebes einstellbarer Dämpferzahl zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe werden daher erfindungsgemäss die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Mittel vorgeschlagen. Mit dieser im Hauptanspruch angegebenen Erfindung erreicht man die Einstellbarkeit der Dämpfungszahl des viskosen Dämpfers. Die Beheizung von Dämpfern ist an sich bekannt. Wenn Anlagen ungeschützt im Freien stehen und/oder mit Temperaturen unter 10 Grad Celsius gerechnet werden muss, so ist die Beheizung notwendig, um das Einfrieren des Dämpfers zu verhindern. Die Regelung erfolgt dann ausschliesslich in Abhängigkeit von der Aussentemperatur. Unter stark temperaturabhängigen viskoelastischen Eigenschaften sind im vorliegenden Fall solche zu verstehen, bei denen durch technisch einfach mögliche Temperaturänderungen (in der Praxis meist ca. 10 Grad C) so grosse Änderungen der viskoelastischen Eigenschaften herbeigeführt werden, dass sich für jeden Betriebszustand die erforderliche Viskosität einstellt. Viskoelastische Dämpfer werden in den meisten Fällen parallel zu Elastizitäten angeordnet. Abhängig von den viskoelastischen Eigenschaften und der Elastizität der reinen elastischen Mittel wird von einem Dämpfungsmass der Gesamtanordnung gesprochen, das entweder als prozentuale kritische Dämpfung oder als Lehr' sches Dämpfungsmass bezeichnet wird. Im Sinne einer schwingungsisolierten Aufstellung ist ein erfor derliches Dämpfungsmass das, das so hoch ist, dass Aufschaukelungen wegen zu geringer Dämpfung nicht eintreten, und das so niedrig ist, dass die Wirkung der Schwingungsisolierung bei Anregung durch stationäre Schwingungen so wenig wie möglich gemindert wird und bei Anregung durch Stösse im Bereich der Verbesserung der Isolierwirkung bleibt. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch Messen der Schwingantwort des Systems über eine Regelstrecke die Dämpfungszahl den dynamischen Erfordernissen angepasst wird. Dazu sei bemerkt: In vielen Fällen muss sich die Dämpfungswirkung an der Grenze zwischen den beiden vorerwähnten Forderungen bewegen. In der Praxis treten bei vielen M as chinenarten, die schwingungsisoliert aufgestellt werden, je nach Betriebsart unterschiedliche Schwingungsanregungen auf. Beispielsweise können auf einer Stanze Kupferbleche, Stahlbleche oder Federbandstahl gestanzt werden. Die Anregungen sind so unterschiedlich, dass eine optimale Schwingungsisolierung für jeden der drei Arbeitsgänge nur mit einer jeweils etwas geänderten Dämpfung erzielt werden kann. Bei den Arbeiten mit Schmiedehämmern handelt es sich dagegen immer um eine relativ konstante Schlagenergie, die zur Verformung eines Werk stückes genutzt wird. Die Wirkung der Schlagenergie wird als Impuls verstanden, dessen Form und vor allem dessen Wirkdauer in starkem Mass von dem Werkstück abhängt. Ein relativ hohes Materialstück, das verformt werden soll (z. B. ein Achsschenkelbolzen), und das beim Schlag erheblich an Höhe verliert, hat immer eine lange Impulsdauer. Zur optimalen Isolierung ist hier bei gleicher Elastizität ein anderes Dämpfungsmass erforderlich als bei flachen Schmiedestücken (z. B. Rohrflansche), bei denen ein Impuls mit hoher Spitze und kurzer Wirkdauer ansteht. Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes ausführlich erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen viskosen Dämpfer mit regelbarer Heizung; Fig. 2 einen viskosen Dämpfer mit nach dem dynamischen Ereignis regelbarer Heizung. Der beheizbare viskose Dämpfer setzt sich aus einem Dämpferstempel 1, einem Dämpfergehäuse 2 und einem Dämpfungsmedium 3 zusammen. Das Dämpfungsmedium 3 soll dabei ein Stoff mit stark temperaturabhängigen, viskoelastischen Eigenschaften sein. Solche Dämpfungsmedien sind mit Bitumen zu realisieren. Dabei sollten diese bituminösen Stoffe die gewünschten Eigenschaften bei einer üblicherweise etwa 10 bis 20 Grad C über der Umgebungstemperatur liegendnTemperatur haben. Die Temperatur des Dämpfungsmediums 3 wird mit einem am Dämpfer stempel 1 nahe der Wandung ab gebrachten Temperaturfühler 4 gemessen. Das Messsignal wird einem Regler 5 zugeführt. Der Regler kann am Dämpfer eine Heizung 6 in Gang setzen, so dass eine am Regler 5 gewählte Mediums temperatur konstant gehalten wird. Die Temperatur des Dämpfungsmediums 3 hängt von der im Dämpfungsmedium enthaltenen Wärmeenergie ab. Dem Dämpfer einerseits wird Energie zugeführt, weil er mechanische Energie in Wärmeenergie umwandelt, was letztlich den Dämpfungseffekt am schwingenden System ausmacht. Andererseits kann bei höherer bzw. niedrigerer Umgebungstemperatur dem Dämpfer auch Energie aus der Umgebung zufliessen oder entzogen werden. Üblicherweise fliesst die Wärmeenergie aus dem Dämpfer ab. Für stationäre Schwingungen stellt sich nach einer gewissen Zeit im Dämpfungsmedium 3 ein Temperaturgefälle zwischen dem Stempel 1 und dem Gehäuse 2 ein. Die Temperatur am Stempel kann dann bis zu 10 Grad C über der Umgebungstemperatur liegen, wodurch der Dämpfungswiderstand abfällt. Im Fall von impulsförmiger Schwingungsanregung mit längeren Wiederholzeiten oder zum Betriebsbeginn kann bei zu tiefer Umgebungstemperatur wegen zu geringer Viskosität des Dämpfungsmediums dagegen die Dämpfungskraft zu gross werden. Weiterhin kann es bei sich ändernder Charakteristik des Anregungssignals erforderlich werden, das Übertragungsverhalten der elastisch dämpfenden Maschinenlagerung zu ver ändern. Entsprechend der bekannten Übertragungsfunktion der Schwingisolierung lässt sich mit dem Einstellen einer höheren Dämpfung erreichen, dass angeregte Eigenschwingungen rasch abklingen und die Amplituden der erzwungenen Schwingung im niederfrequenten Bereich begrenzt wer. den. Bei der Wahl einer geringeren Dämpfung kann man wiederum den höherfrequenten Bereich besser isolieren. Damit die Einstellbarkeit entsprechend dem Erfindungsgedanken wirksam werden kann, ist es erforderlich - ein Dämpfungsmedium 3 zu wählen, dessen viskoelastische Eigen schaften stark temperaturabhängig sind; - die Viskosität des Dämpfungsmediums 3 so zu wählen, dass die erforderliche Dämpfungszahl bei einer Temperatur im Dämpfungs medium erreicht wird, die ungefähr 20 Grad bis 30 Grad C über der zu erwartenden Umgebungstemperatur liegt; - das Dämpfungsmedium 3 mit der Heizung 6 auf die Betriebstempera tur von ungefähr 20 Grad bis 30 Grad C über der tatsächlichen Um gebungstemperatur vor dem Betriebsbeginn aufgeheizt wird; - die wirkliche Betriebstemperatur am Regler 5 so eingestellt wird, dass die Schwingungsantwort des Systems den Erfordernissen gerecht wird. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der letzte Punkt der vorgehenden Beschreibung durch eine Regelung nach dem dynamischen Ereignis ersetzt worden. Dazu ist es notwendig, die Schwingungsantwort des Systems mit einem Messgeber 7 zu messen und in einem Zwischenglied 8 zu verarbeiten. Nach dem Bewerten des Messsignals wird von dem Zwischenglied 8 ein Signal an den Temperaturregler 5 gegeben, der die Beheizung G des Dämpfers bewirkt oder eine weitere Abkühlung zulässt. Im Prinzip ist es dazu nicht notwendig, dass der Temperaturfühler 4 ein Teil der Regelung ist. Der Messgeber 7 kann der Schwinggrösse angepasst, den Schwingweg, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung oder auch die übertragene Kraft messen. Das Zwischenglied 8 könnte neben mathematischen Umformungen wie Verstärkung, Integrationen oder Differentiationen, um aus dem Gebersignal die geforderte Messgrösse zu erhalten, auch beispielsweise Grenzwerte melden, Mittelwerte bilden, Fourier-Transformationen vornehmen und den Schwingungsvorgang im Frequenzbereich bewerten. Der hohe wirtschaftliche Nutzen bei der Verwendung eines entsprechend dem vorbeschriebenen Erfindungsgedankens beheizbaren viskosen Dämpfers ergibt sich - aus der gleicbleibenden Dämpfungskraft bei veränderlicher Umge bungstemperatur und zugeführter mechanischer Energie trotz eines gegenüber temperaturstabilen Dämpfungsmedien um ungefähr 30% billigeren Dämpfungsmediums mit temperaturabhängiger Vis kosität, - aus den gleichzeitig höheren Dämpfungskräften bei temperatur abhängigen Dämpfungsmedien als mit temperaturabhängigen bei gleicher Baugrösse des Dämpfers, - aus der Anpassung der Dämpfung an die Erfordernisse der Schwin gungsantwort des Systems bei veränderten Signalformen der Schwingungserregung.

Claims: P atentansprüche 1. Beheizbarer viskoser Dämpfer zur Minderung von Bewegungen, insbesondere Schwingungen von Maschinen und Rohrleitungen, der aus einem Dämpfergehäuse und einem Dämpferstempel be steht und der mit einem Dämpfungsmedium gefüllt ist, da du r c h gek e n n z e i c h n e t, dass die viskoelastischen Eigenschaften des Dämpfungsmediums (3) stark temperaturabhängig sind und dessen zur Dämpfung erforderliche Viskosität bei Betriebstemperaturen erreicht wird, die über der Umgebungstemperatur liegen. 2. Beheizbarer viskoser Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch ge kennz eichnet, dass er mit einem Heizregelkreis versehen ist, der aus einem Temperaturfühler (4), einem Regler (5) und einer Heizung (6) besteht und mit dem die Betriebstemperatur des Dämpfungsmediums (3) über die Umgebungstemperatur eingestellt, angehoben und gehalten werden kann. 3. Beheizbarer viskoser Dämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraft- und Bewegungssignal mittels eines Messgebers (7) vom schwingenden Objekt abgenommen und in einem Zwischenglied (8) bewertet wird und dass eine Heizungsein stellung am Regler (5) bewirkt, dass die Schwingungen des Objekts den dynamischen Anforderungen angepasst werden. 4. Beheizbarer viskoser Dämpfer nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (4) am Dämpferstempel (1) nahe der Wandung angebracht ist. 5. Beheizbarer viskoser Dämpfer nach Anspruch 1 und 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungs medien (3) bituminöse Stoffe sind.

Inventors: ZOELLNER, KURT
Applicants: GERB GESELLSCHAFT FUR ISOLIERUNG MBH & CO. KG
Application year: 1984
Main classification: F16F15
IPC codes: F16L3, F16F9