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Die Erfindung bezieht sich auf die Ausführung und den Antrieb von
Schwingnutzgeräten, insbesondere auflange Längsförderer, wie Förderrinnen und Förderrohre,
deren erste Biegeeigenfrequenz in der Nähe oder unterhalb der Betriebsfrequenz liegt.
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Bei solchen langen Schwingnutzgeräten ist es von erheblicher Bedeutung,
daß der Rinnenkörper als Ganzes im wesentlichen nur eine Translationsschwingung
ausführt und Biegeschwingungen vermieden werden. Andernfalls würde nämlich das Fördergut
an verschiedenen Orten der Rinne eine unterschiedliche Beschleunigung erfahren,
was zu ungleichmäßiger Fördergeschwindigkeit auf der Rinne führt.
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Insbesondere in den Schwingungsknoten der Biegeschwingung verursacht
diese Erscheinung eine Stauung des Fördergutes, die den Fördervorgang stark behindert
oder gar ausschließt. Aus diesem Grunde ist man bisher bemüht, Förderrinnen und
-rohre mit zum Teil sehr umfangreichen Versteifungen so zu konstruieren, daß die
Betriebsfrequenz stets unterhalb der ersten Biegeeigenfrequenz des Rinnentroges
liegt, oder aber den Trog über entsprechend viele Lenkerfedern an einen Grundrahmen
(oder einen zweiten Rinnentrog) anzukoppeln, wobei dann die erste Biegeeigenfrequenz
dieses Systems entsprechend hoch über der Betriebsfrequenz liegen muß. Diese Ausführungen
sind aber stets mit hohen Kosten verbunden. Diese Nachteile werden dadurch vermieden,
daß das Schwingnutzgerät, beispielsweise eine Förderrinne, an mehreren an sich beliebigen
Stellen, vorzugsweise aber am Angriffspunkt der Erreger, weich aufgehängt oder aufgestellt
wird und mehrere Schwingungserreger, vorzugsweise Unwuchterreger, so an der Rinne
angebracht werden, daß die Biegeverformungen mit Eigenfrequenzen unterhalb der Betriebsfrequenz
unterdrückt werden. Unter »weich« oder »frei« aufgehängt soll dabei verstanden sein,
daß die Eigenfrequenz, die sich aus dem Gesamtgewicht des Schwingnutzgerätes und
der resultierenden Federzahl der Aufhängefederungen ergibt, weit unterhalb der Betriebsfrequenz
liegt, also nur wenige Hertz beträgt.
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Es sind bereits frei aufgehängte Förderrinnen und -rohre mit zwei
Vibratorantrieben bekannt, wobei der synchrone Betrieb der Einzelerreger durch phasenrichtigen
Anschluß an die gleiche Netzspannung stets gesichert ist. Auch ist ein Schwingnutzgerät
mit zwei abgestimmten elektromagnetischen Erregern bekanntgeworden, das zusammen
mit den Erregern einen Koppelschwinger mit zwei Eigenfrequenzen bildet, bei dem
durch räumliche Zuordnung der Angriffsgeraden der Erreger zum Schwerpunkt des Nutzgerätes
beide Eigenfrequenzen den durch die Frequenzschwankungen des Netzes bedingten Mindestabstand
von der Antriebsfrequenz erhalten.
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Es sind auch einige Schwingnutzgeräte mit elektromagnetischem Vibrator
bekanntgeworden, bei denen drei oder vier Schwingungserreger angebracht wurden,
und einige arbeiten sogar oberhalb der ersten Biegeeigenfrequenz, jedoch werden
hier stets mehr Erregersysteme eingesetzt als erfindungsgemiiß erforderlich.
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Zur Verringerung der Anzahl der notwendigen Schwingungserregersysteme
ist bereits eine Anordnung zur Erzielung möglichst reiner Translationsschwingungen
von biegeschwingungslähigen Systemen bekanntgeworden, derzufolge das biegeschwingungsfähige
System derart mit Masse-oder Feder-Massc-Systemen belegt wird, daß die im jeweils
verwendeten
Antriebsfrequenzbereich vorherrschende Biegeeigenschwingung nicht auftritt.
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Es ist ferner ein Resonanzschwingförderer tnit mehreren hintereinander
angeordneten elektromagnetischen Vibrationsantrieben vorgeschlagen worden, bei dem
die Abstützung des gesamten Schwingnutzgerätes in den Schwingungsknotenpunkten der
die beiden gegeneinander schwingenden Massen verbindenden Federn der Vibrationssysteme
erfolgt, so daß theoretisch keine Wechselkräfte auf die Abstützung übertragen werden.
Dazu muß allerdings vorausgesetzt werden, daß sich das Verhältnis der schwingenden
Massen im Betrieb nicht ändert, d. h., unterschiedliche Fördergutbeschickung müßte
tunlichst vermieden werden. Diesem Resonanzschwingförderer ist ferner eigenlümlich,
daß eine Vielzahl von teuren Anregesystemen vorgesehen wird, die in außergewöhnlich
kurzem Abstand angeordnet sind.
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Die bekannten magnetvibratorerregten Systeme werden jedoch bei langen
Rinnen zu aufwendig, abgesehen davon, daß man bei großen Einheiten wegen der besseren
Förderfähigkeit und der geringeren Geräuschbelästigung Betriebsfrequenzen von 25
oder 162/3 Hz vorsieht. Während nun bei den bekannten Magnetvibratoren große Schwingleistungen
bei kleinen Schwingfrequenzen nicht ohne weiteres möglich sind, können mit Unwuchterregern
beim Betrieb am 50-Hz-Netz leicht große Erregerkräfte in dem bevorzugten Frequenzbereich
12,5, 162/3, 25 Hz erzeugt werden. Die zwei oder mehr eingesetzten Unwuchterregerpaäre
können sich jedoch erfahrungsgemäß nicht mehr selbst synchronisieren.
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Um die Biegeschwingungen eines Längsförderers zu unterbinden, wird
bei einem solchen mit Antrieb durch mehrere Erreger, deren Erregerkräfte durch die
Schwingungsknoten der zu unterdrückenden Biegeformen laufen, gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, daß die Kräfte der Erreger auf einer durch den Schwerpunkt des Fördertroges
laufenden Balkenfaser angreifen und eine solche Amplitude P, z aufweisen, daß die
Bedingung
erfüllt ist.
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Die Anordnung und Einstellung von zwei oder mehr polarisierten Unwuchterregern
gestattet nun in einfacher Weise den Betrieb langer, ungeteilter frei schwingender
Förderrinnen von beispielsweise 50 bis 100 m Länge mit hoher Förderleistung und
einer kleinen Schwingfrequenz von vorzugsweise 10 bis 25 Hz.
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Der Erfindung liegt folgende theoretische Uberlegung zugrunde: Der
frei schwebende oder lose mit einer Tragkonstruktion verbundene Trog eines Schwingförderers
stellt in schwingungstechnischer Hinsicht einen frei-freien prismatischen Träger
dar.
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Seine Biegeeigenfrequenzen sind bekanntlich:
Dabei ist Cs = Schallgeschwindigkeit für Längswellen im Werkstoff, I = Balkenlänge,
J = Trägheitsmoment um die Biegeachse und = Querschnittsfläche der Trogwände. Äv
sind die sogenannten Eigenwerte, die sich bei Vernachlässigung von Schub und
Drchträgheit
für die Ordnungszahl v in bekannter Weise zu r 1 2 3 Äj. 4,730 7,853 10,996 usw.
ergeben. 1 ist ein Massenzuschlagsfaktor zur Berücksichtigung des Fördergutgewichts.
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Diese Eigenfrequenzen, die sich für die gefüllte tind die leere Rinne
geringfügig unterscheiden, müssen unter allen Umständen mit einem ausreichenden
Sicherheitsabstand von 5 bis 10% ermeiden werden.
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In entsprechender Weise sind bei gegebener Betriebsfrequenz f für
ein bestimmtes Trogprofil die sogenannten kritischen Längen
@ zu vermeiden.
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Ist , der Anstellwinkel der an den <i Anschlußstellen z, angebrachten
Erreger, so bewirken die Vertikalkomponenten der Erregerkräfte Pa . sin a einen
Vertikalausschlag der gesamten Trogmasse
wobei y = Dichte des Werkstoffs, # = 2 @ f = Erregerkeisfrequenz und
resultierende Erregerkraftamplitude ist.
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Betreibt man die Schwingrinne mit einer Erregerfrequenz f, die genügend
weit unterhalb der tiefesten Biegeeigenfrquenz Fc1 des Rinnentroges liegt, so führt
dieser nur die gewünschte Translationsbewegung Yo aus, und es kommt auf die räumliche
Verteilung der üblicherweise gleichphasigen Erregerkräfte nicht an.
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Nähert man sich aber einer Biegeeigenfrequenz des Troges, so treten
die (allein erwünschten) Translationsausschläge gegenüber den Biegeausschlägen völlig
zurück. Der Trog schwingt im wesentlichen nur noch in der betreffenden Eigenform,
die dieser Biegeeigenfrequenz entspricht. In F i g. 1 sind beispielsweise die Eigenformen
eines frei-freien, prismatischen Trägers für die drei untersten Biegeeigenfrequenzen
skizziert. Für diese Eigenformen ergibt die Theorie in bekannter Weise die nachstehende
räumliche Verteilung der Ausschlagsamplituden :
Den stationären Querausschlag des Troges erhält man in bekannter Weise zu:
wobei die Erregerkraft mit der Amplitude #α an der Stille kl angreift. Man
erkennt daraus, daß eine bestimmte Eigenform von der Ordnungszahl v dann nicht angeregt
wird, wenn man die Kraftamplituden Pα und ihre Angriffspunkte zl derart wlihlt,
daß
ist; dann kann das System nämlich keine Energie aufnehmen.
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Fiir die den geraden Ordnungszahlen s entsprechenden Eigenformen
braucht man daher nur die Angriffspunkte symmetrisch zur Trogmitte anzuordnen. Eine
solche symmetrische Verteilung der Kraftangriffspunkte ist schon allein mit Rücksicht
auf das Vermeiden von Nickschwingungen unbedingt erforderlich.
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Sicht man beispielsweise nur einen einzigen Erreger vor, so muß dieser
notwendig in der Rinnenmitte angeordnet werden. Es ist aber natürlich nicht nötig,
diese Punkte gleichmäßig auf die Rinnenlänge zu verteilen. Zur Vermeidung der Eigenformen
mit ungeraden Ordnungszahlen r sind dagegen die Kraft angriffspunkte vorzugsweise
in die Knoten der betreffenden Eigenform zu legen (@@v(zα) = E)). Daraus ergeben
sich ftir die wichtigsten zu unterdrückenden Eigenschwingungsformen die folgende
Anordnung der Kraftangriffspuynkte und die folgenden Kraftamplitudenverhältnisse
als vorteilhaft. Die Anweisung gilt unabhängig vom R innenwerkst 0ff, der Trogfüllung
und der Schwingfrequenz, setzt natülich eine
im wesentlichen gleichmäßig über die
Rinne verteilte Füllung voraus.
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1. Zur Unterdriickung der ersten und zweiten Eigenform sind zwei
gleiche Erreger, vorzugsweise polarisierte Wuchtlnassenerreger, auf der 1 m langen
Rinne im Abstand von 0,2242 1 m von den beiden Rinnenenden anzubringen. Kritisch
wird erst die dritte Eigenform mit ihrer auf den Transverslaausschlag bezogenen
Biegeschwingungsamplitude am Balkenende (hier ergeben sich die größten Amplituden)
2. Zur Unterdrückung der ersten bis vierten Eigenform sind zwei gleiche Erreger
mit der Kraft P, im Abstand von O,()943 1 m von den beiden Rinnenenden und zwei
weitere gleiche Erreger mit der Kraft 1>2 = 1,316 # P1 im Abstand von 0.355,
liii von den Rinnenenden anzubringen.
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Die kritische bezogene Biegeschwingungsa mplitude ist
3. Zur Unterdrückung der ersten bis sechsten Eigenform sind zwei gleiche Erreger
mit der
Kraft P1 im Abstand 0,0601 l m von den Rinnenenden, zwei
weitere Erreger mit der Kraft P2 = 1,311 P1 im Abstand 0,226, l m von den Rinnenenden
und zwei weitere Erreger mit der Kraft P3 = 1,328 P1 im Abstand Q409, l m von den
beiden Rinnenenden anzubringen. Die kritische bezogene Biegeschwingungsamplitude
ist
In der Tabelle sind die einzustellenden Kräfte und Erregungsstellen noch einmal
geordnet zusammengestellt. Kraftangriffspunkte, Kraftamplituden und Amplitudenfaktoren
für die niedrigsten ungeraden Ordnungszahlen
| Ordnungs- |
| zahl der Kritische |
| unter-Erreger-Prinztpielle Anordnung Kraftangriffs- Kraftamplituden
Eigen- Amplitudenverhältnis |
| druckten zahl N punkte frequenz |
| Eigen- |
| formen |
| - 1 = 05I z=Z Yx (O)-2, 2,43 |
| Pl = 0.5 zu I PI F,, y, lF,, \2 |
| p, vfJ |
| 1-2 2 Zd i Z z'~ z-1 , o72724582 1 pX = P2 Y;(O) = 263 1 |
| . 3 0.775, = p2 F,.3 ?o F,, -1 |
| 1 4 Z'zL It Z1 4 z-1 , = 0. zuI P, = Pq = 0943 P2 Y,(o) = a64
1 |
| 1-4' 4 P¼ftz,z2z4z-Z 3 = 0.355s 1 P, = P4 = a760- P2 FL5 064 |
| 4 Fa Pj P4 >=O.6442I P3=P2= l.31(>'P1 F,.5 y0 r f / |
| = o»os-- |
| = = a775 zuI - = Pg = 0.060 -I |
| pDz1 ze zi 4 0;409, - I Zs zu P, = z.z-1 3=0.2265'! P2=P5=
l.311P1 |
| 1-6 6 Z « 0.409, Z3 Z4, Z5 Z zu 1,328' p, ~ p51311 F,. (°)
= 0.12 F 2 |
| Pl F2 P2/5/Z4 = 0.590q 1 p P, = P, = 0. 763 P2 r Yo (Fe7) |
| 5 = 0*773s I = Q753-P3 |
| = O.939q zur |
Für noch höhere Eigenformen 1 ergeben sich die entsprechenden Werte aus Gleichungen
(3) und (6).
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Die überlagerte bezogene Biegeschwingungsamplitude ist dann
Es ist nicht zu befürchten, daß die unterdrückten Eigenformen beim Durchfahren ihrer
Eigenfrequenzen. d. h. beim Anfahren bzw. Stillsetzen der Rinne. angeregt werden.
da die üblichen Antriebe diese Berciche schnell genug durchfahren. Auf diese Weise
ist es möglich. sehr lange Rinnen zu konstruieren. bei denen die Biegeverformungen
weitestgehend unterdrückt sind.
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Vorzugsweise ist bei der Anbringung der Erreger dafür zu sorgen,
daß die Kraftangriffspunkte auf einer durch den Schwerpunkt des Balkens verlaufenden
»neutralen Faser« des Balkens liegen. damit das Auftreten von Nickschwingungen vermieden
wird.
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Man kann zwar, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird. durch geeignete Wahl
der Kräfte Pol 2 das resultierende Drehmoment um den Schwerpunkt S zum Verschwinden
bringen. so daß Nickschwingungen nicht mehr angeregt werden. Jedoch werden dann
zwangläufig die geraden Eigenformen angeregt.
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Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung der vorzugsweise in den
Schwingungsknoten angreifenden Erregerkriifte. Mit geeignet ausgelegten elektromagnctischen
oder elektrodynamischen Vibratoren läßt sich die Aufspaltung der Erregerkraft in
zwei oder
mehr gleichphasige ohne weiteres erzielen. Jedoch benötigt man dann zur
Speisung der Vibratoren ein Kunstnetz mit 12.5 oder 16213 oder 25 Hz, damit die
für große Schwing-Längsförderer allein anzuwendenden niedrigen Schwingfrequenzen
erreicht werden können. Beim Betrieb am 50-Hz-Netz lassen sich die notwendigen niedrigen
Schwingfrequenzen auch mit großen Amplituden von mehreren Millimetern mühelos mittels
Wuchtmassenerregern erreichen. Während sich hier die beiden Motoren jeweils eines
polarisierten Wuchtmassenerregers in bekannter Weise selbst synchronisieren. wird
der synchrone und gleichphasige Lauf der jeweils in den Schwingungsknoten angebrachten
Wuchtmassenerreger vorzugsweise durch eine elektrische Welle sicherzustellen sein.
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Wie bereits mitgeteilt. ist es zwar nicht unbedingt notwendig. die
Schwingungserreger in den Knoten der höchsten zu berücksichtigenden Eigenform anzubringen:
: der erfindungsgemäße Zweck wird auch erreicht. wenn eine beliebige Anzahl von
beispielsweise über eine elektrische Welle synchronisierten Erregern so angebracht
wird, daß die Bedingung
für jede Eigenform bis zu der zu berücksichtigenden Ordnungszahl, mit der entsprechenden
Eigenfrequenz FeV verschwindet. Von den hiernach möglichen konstruktiven Lösungen
ist die hier angegebene die wirtschaftlichste. weil sie mit der kleinsten Anzahl
von Schwingungserregern auskommt. Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt
am Beispiel der Fig.3 und 4.
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Das 30 m lange Schwingförderrobr 10 mit 318 mm Durchmesser und 8
mm Wandstärke wird über die sechs Anschlußstücke 12 von den weichen und vorzugsweise
gleichen Federn 14 getragen. An den gleichen Anschlußstücken 12 sind die polarisierten
Wuchtmassenerreger 16, 18 und 20 angebracht, die durch eine elektrische Welle synchronisiert
sind und deren Kitte auf einer durch den Schwerpunkt 22 des mit Fördergut beaufschlagten
Rohres laufenden »neutraelen Faser« 24 angreifen.
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Die beiden lOOO-kp-Erreger 16 sind in 1,803 m, die beiden 1311 l-kp-Erreger
18 in 6,79m und die beiden 1328-kp-Erreger in 12,29 m Abstand von den Rohrenenden
angebracht. Alle Unwuchtmotoren laufen mit gleicher Drehzahl; die unterschiedlichen
Erregerkräfte werden durch unterschiedliche Wuchtmassen erzeugt. Bei 25-Hz-Betrieb
beträgt der Anteil der der Nutzschwingung überlagerten Schwingungen in der siebenten
Eigenform nur Eine besonders vorteilhafte Anbringung der Unwuchtmotoren ist in F
i g. 4 gezeigt.
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Das Förderrohr 10 (es ist nur ein Stück davon gezeichnet) wird von
den Federn 14 getragen. Die Unwuchtrnotoren 26 sind auf beiden Seiten des Rohres
an den Anschlußstücken 12 angebracht wodurch der Kraftangriff ohne Hilfsmittel in
gewünschter Weise auf einer Schwerelinie des Förderrohres in den Schwingungsknoten
der fünften Eigenform erfolgt.