DE3601712A1 - Einrichtung zur kontrolle unerwuenschter bewegungen und auslenkungen - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kontrolle unerwünschter Bewegungen oder Auslenkungen.

' . Sicherheits- oder Regelventile weisen häufig ein unstabiles, oszillatorisches Verhalten ("Flattern") auf, welches mit Dämpfungseinrichtungen beherrscht (kontrolliert) werden muß. Dies ist jedoch nur ein Gebiet, wo die Kontrolle von Schwingungen und anderen unerwünschten Bewegungen einschließlich äußerer Beschleunigungen und Auslenkungen in mechanischen oder hydraulischen Vorrichtungen erforderlich ist.

Ventilflattern kann durch mehrere Ursachen hervorgerufen werden (vergl. "Valve Selection Handbook" von R. W. Zappe, Seite 177). Es stellt auch heute noch ein Problem dar. Die gegenwärtige Praxis geht dahin, die Möglichkeit des Flatterns dadurch zu verringern zu suchen, daß die Eigenschaften des Systemes verändert werden; weniger werden Ventile verwendet, die so gebaut sind, daß das Problem reduziert ist.

Der Erfinder kennt nur zwei Vorschläge für angeblich "flatterfreie" Ventile. Beide gehen von der Theorie aus, daß eine Reibung an der Ventilstange die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Bewegungen der Stange verringert. Bei einem bekannten Ventil wird der Ventilstange durch eine elastomere Dichtung Reibung vermittelt, welche unter dem Druck des Strömungsmittels im Ventilgehäuse steht. Beim anderen bekannten Ventil wird der Ventilstange die Reibung mittels eines Reibkragens auferlegt, der von einer vorgespannten Feder beaufschlagt wird. Beide Anordnungen haben die erheblichen Nachteile, daß ein Verschleiß stattfindet, was zu Veränderungen in den Widerstandseigenschaften führt und Wartungsaufwand erforderlich macht, und daß die Ventil-

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stange bzw. das Reibelement durch Fremdmaterial verunreinigt wird. Beide bekannte Ventile sind somit als Einrichtungen, mit denen ein Flattern verhindert werden soll, ungeeignet.
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Der Erfinder hat Zweifel, daß die erwähnte Theorie in der Praxis funktioniert. Er kennt keine kommerzielle Anwendung des zuerst erwähnten Ventiles. Das zweite Ventil wurde zwar kommerziell vertrieben; es hat sich jedoch bei der Verhinderung von Ventilflattern nicht als erfolgreich herausgestellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, mit der verläßlich unerwünschte Bewegungen in mechanischen oder hydraulischen Einrichtungen reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung führt eine äußere Kraft bzw. Bewegung dazu, daß Strömungsmittel von einer Kammer zu anderen fließt. Die Druckdifferenz zwischen den Kammern widersetzt sich der äußeren Kraft bzw. Bewegung. Der charakteristische Widerstand dieser Einrichtung kann dadurch modifiziert werden, daß die Abmessungen der Kammern oder die Abmessungen des verbindenden Strömungsmittelweges zwischen den Kammern verändert werden. Alternativ kann der charakteristische Widerstand dadurch modifiziert werden, daß die Eigenschaften des Strömungsmittels verändert werden. Beispielsweise verändert eine andere Strömungsmitteldichte, -viskosität und -kompressibilität den charakteristi- sehen Widerstand gegenüber äußeren Beschleunigungen, Ge-

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schwindigkeiten und Auslenkungen.

Die Kammern sind vorzugsweise im wesentlichen zylindrisch; die Seitenwände sind in Axialrichtung flexibel und in der Umfangsrichtung im wesentlichen nicht flexibel. Aufgrund der Inflexibilität in Umfangsrichtung der Seitenwände führt eine axiale Ausdehnung bzw. Kompression der Kammern zu einer Veränderung des eingeschlossenen Volumens; diese wiederum führt zu einer Verdrängung eines äquivalenten Strömungsmittelvolumens aus einer Kammer in die andere.

Die Seitenwände der Kammern können die Form gewellter Bälge aus Edelstahl oder einem anderen korrosionsfesten Material mit der erforderlichen mechanischen Stabilität aufweisen. Die Eigenschaften der Bälge werden hauptsächlich durch die äußere Kraft, die an die Einrichtung angelegt werden soll, die maximale und minimale erwartete axiale Wandauslenkung, den maximalen und minimalen erwarteten Druck in den Kammern, die Anzahl erwarteter Druck- und Auslenkungszyklen sowie die Art des Strömungsmittels, welches verwendet werden soll, bestimmt.

l~) Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen 25

Figuren 1 bis 3: verschiedene Dämpferkonfigurationen;

Figur 4: eine bevorzugte Konfiguration, die an der Ventilstange eines typischen Sicherheitsventils befestigt ist;

Figur 5: eine weitere bevorzugte Dämpferkonfiguration.

Zunächst wird auf die Dämpferkonfiguration Bezug genommen, die schematisch in Figur 1 dargestellt ist. Der Dämpfer

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enthält ein spulenähnliches Teil 1, an dem eine Endwand 2, eine mittlere Spindel 3 und eine Endwand 4 ausgebildet sind. Eine gemeinsame, mittlere Endwand 5 befindet sich verschiebbar auf der Spindel 3; die Endwände 2 und 4 sowie die mittlere Endwand 5 sind jeweils durch Seitenwände 6 und 7 miteinander verbunden, wodurch geschlossene Kammern 8 und 9 gebildet werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die Seitenwände 6 und 7 jeweils die Form gewellter Bälge aus Edelstahl oder einer anderen geeigneten Einrichtung, die in axialer Richtung flexibel aber in Umfangsrichtung im wesentlichen starr ist. Die gemeinsame, mittlere Endwand 5 weist zwei Strömungsmittelwege 10 und 11 auf, so daß Strömungsmittel (z.B. Mineralöl), welches sich in den Kammern 8 und 9 befindet, zwischen diesen Kammern fließen kann.

Eine äußere Kraft oder Bewegung, welche durch die Pfeile angedeutet ist und auf die mittlere Endwand 5 ausgeübt wird, ruft eine Bewegung dieser Wand 5 in einer der beiden Richtungen hervor. Das Strömungsmittel, welches sich innerhalb einer der Kammern 8 und 9 befindet, wird zur entgegengesetzten Kammer verdrängt. Die sich ergebende Druckdifferenz zwischen den Kammern 8 und 9 widersetzt sich der äußeren Kraft bzw. Bewegung.

Bei dem in Figur 2 gezeigten Dämpfer trägt eine gemeinsame Endwand 12 einen aufrecht stehenden Pfosten 13. Dieser trägt seinerseits gelenkig einen Hebel 21, an welchem Endwände und 15 gelenkig befestigt sind. Seitenwände 16 und 17 liegen zwischen den Endwänden 14 bzw. 15 und der gemeinsamen Endwand 12. Hierdurch werden Kammern 18 und 19 gebildet. Die gemeinsame Endwand 12 weist einen Strömungsmittelweg auf, der sich in beide Kammern 18 und 19 öffnet. Eine äußere Kraft oder Bewegung, die durch die Pfeile angedeutet ist und an den angelenkten Hebel 21 angelegt wird, führt dazu, daß das Strömungsmittel in einer der Kammern 18 bzw. 19 zur jeweils anderen Kammer verdrängt wird. Wiederum widersetzt

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sich die sich ergebende Druckdifferenz zwischen den Kammern 18 und 19 der äußeren Kraft bzw. Bewegung.

Bei dem in Figur 3 gezeigten Dämpfer sind die Endwände 22 und 2 3 durch eine Leitung 24 miteinander verbunden. Endwände 25 und 26 sind über Seitenwände 27 und 28 mit den Endwänden 22 und 23 verbunden, wodurch Kammern 29 und 30 gebildet werden. Eine äußere Kraft, die durch die Pfeile angedeutet ist und an eine der Endwände 26 gelegt wird, führt zu einer Verdrängung des Strömungsmittels aus einer Kammer bzw. 30 in die jeweils andere Kammer, wie dies auch bei den vorigen Ausführungsbeispielen der Fall war.

Aufgrund der einfachen Bauweise und aufgrund der Fähigkeit, ein Ventil zu dämpfen, wird der Dämpfer von Figur 1 vorzugsweise zu diesem Zwecke eingesetzt. Eine typische Art, den Dämpfer an ein bekanntes Sicherheitsventil anzubauen, ist in Figur 4 dargestellt. Bei dieser Anbauart ist der Dämpfer innerhalb eines Gehäuses 33 eingeschlossen. An diesem ist die gemeinsame Endwand 5 starr durch Schweißen oder dergleichen befestigt. Das Gehäuse ist seinerseits an der Oberseite eines Entlastungsventils 32 bekannter Bauart befestigt, von dem nur ein Teil in der Zeichnung dargestellt ist. Das untere Ende der Spindel 3 ist gegabelt, so daß die Spindel 3 am oberen Ende einer Ventilstange 33 des Entlastungsventils 32 befestigt werden kann. Dies kann beispielsweise mittels eines Splints, wie er dargestellt ist, geschehen. Die Endwände 2 und 4 sind an der Spindel 3 angeschweißt. Der Strömungsmittelweg 11 in der gemeinsamen Endwand 5 wird von einem Rohr gebildet, welches sich erweiternde Enden aufweist. Die gewellten Bälge 6 und 7 aus Edelstahl sind mit den Endwänden 2 und 4 sowie mit der gemeinsamen Endwand 5 durch Schweißen oder in anderer Weise dicht verbunden, wie dies der geläufigen Praxis der Hersteller von Bälgen entspricht. Eine Bewegung der Ventilstange 33, die

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durch die Funktion des Sicherheitsventiles 32 hervorgerufen wird, führt zu einer Verschiebung der Endwände 2 und 4 relativ zur gemeinsamen Endwand 5. Hierbei wird Strömungsmittel aus einer der Kammern 8 bzw. 9 in die jeweils andere Kammer verdrängt, was die Bewegung der Ventilstange 33 dämpft.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Bälge 6 und 7 vorzugsweise nach den Normen der "Exapansion Joint Manufacturers Assocation of the United States of America" gebaut, so daß sie den erforderlichen Drucken und Auslenkungen entsprechen. Als Beispiel sei von einem Ventil mit einer Öffnungsgröße "J" und einem Ansprechdruck von 1,0 MPa und einem 10 %-Schließen ausgegangen, welches sich auf einem Behälter mit 10 m³ befindet, der Luft bei 20° C enthält.

7 -1s Dann wird eine Dämpfung in der Größenordnung von 10 Nm benötigt, wenn ein Flattern des Ventiles verhindert werden soll. Diese Anordnung besitzt eine Auslenkung von 5 mm sowie einen Druckbereich von 100 KPa, wobei die Wände für 10 kombinierte Druck- und Auslenkungszyklen ausgelegt sind.

Der Durchmesser der öffnung 11 in der gemeinsamen Endwand 5 sollte nicht mehr als 0,1 ram größer als der Durchmesser der Stange C sein. Der Strömungsmittelweg zwischen den Kammern wird bei diesem Ausführungsbeispiel von einem Rohr gebildet, welches ungefähr einen Innendurchmesser von 3,5 mm und eine Länge von 50 mm besitzt, wobei sich die Enden, wie gezeigt, erweitern. Das verwendete Strömungsmittel ist vorzugsweise ein Mineralöl mit einer dynamischen Viskosität von 0,16Ns . Bei einem Ventil, welches die oben angegebenen Kennwerte besitzt, sollten die Endwände 2 und 4 ungefähr 80 mm Durchmesser aufweisen; die Länge der Bälge 6 und 7 sollte ungefähr 93,5 mm betragen. Bei allen Materialien wird vorzugsweise Edelstahl Nr. 316 eingesetzt.

Nunmehr wird auf Figur 5 Bezug genommen. Anhand dieser wird

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Ad

ein bevorzugter Dämpfer der Art, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, näher beschrieben. Bei dieser Anordnung wird ein externer Strömungsmittelweg von einem Rohr 40 gebildet, welches an Fittings befestigt ist. Diese öffnen sich durch die Endwände 41 und 42. Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen liegen gewellte Diaphragmen 43, 44 zwischen den Endwänden 41 und 42 sowie einer gemeinsamen Endwand 45. Eine Befestigungsöse 46 ist an der Endwand 41 festgemacht; eine offene Befestigungsöse 47 ist an der gemeinsamen Endwand 45 befestigt. Eine Abstandsplatte 49 hält einen bestimmten Abstand zwischen den Endwänden 41 und 42 aufrecht, so daß die gemeinsame Endwand 45 durch die Befestigungsöse 47 hindurchbewegt wird, wenn sie die Bewegungen des Elementes dämpft, an dem die Befestigungsöse 47 befestigt ist. Ein entfernbarer Strömungsmittelwiderstand 48 liegt in dem Rohr 40; durch ihn können die Dämpfungseigenschaften der Einrichtung variiert werden.

Der beschriebene Dämpfer weist die folgenden Vorteil auf: 20

a) Es gibt keine mechanischen Dichtungen.

b) Es gibt keine Leckwege für das Strömungsmittel. Daher tritt kein Verlust an Strömungsmittel auf; eine Verschmutzung der äußeren Umgebung ist nicht möglich. Umgekehrt kann die Umgebung das Strömungsmittel nicht verunreinigen. Der beschriebene Dämpfer ist daher auch in einer Umgebung geeignet, die sonst empfindlich ist oder zu sich verschlechternden Ergebnisse führt.

c) Zwischen beweglichen Teilen brauchtkeine Berührung stattzufinden. Daher ist der Verschleiß minimal; ein Wartungsaufwand tritt nicht auf.

d) Der minimale Verschleiß führt zu einer langen Lebensdauer

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und zu genauer Einhaltung der Widerstandcharakteristiken. e) Kein äußeres Strömungsmittelreservoir wird benötigt.

5 Die in Figur 2 dargestellte Dämpferbauweise wird gegenwärtig für das dargestellte Sicherheitsventil bevorzugt; es lassen sich jedoch auch andere Dämpferbauweisen einsetzen, welche ähnliche Resultate erzielen. Auch können die Kammern in vielen Konfigurationen angeordnet werden, die sich von den 10 in der Zeichnung gezeigten unterscheiden.

Claims (1)

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Patentansprüche

1. Einrichtung zur Kontrolle unerwünschter Bewegungen oder Auslenkungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

zwei abgedichtete Kammern (8, 9; 18, 19; 28, 29), die ein Strömungsmittel enthalten und jeweils Endwände (2, 4, 5; 12, 14, 15; 22, 23, 25, 26) sowie Seitenwände (6, 7; 16, 17; 27, 28) umfassen, wobei die Seitenwände (6, 7; 16, 17; 27, 28) in einer Richtung flexibel sind, was eine Relativbewegung zwischen den entsprechenden Endwänden (2, 4; 12, 14, 15; 22, 23, 25, 26) der Kammern (8, 9; 18, 19; 28, 29) ermöglicht und eine entsprechende Veränderung im eingeschlossenen Volumen jeder Kammer (8, 9; 18, 19; 28,

29) verursacht, und wobei ein Strömungsmittelweg (10, 11; 20; 24) zwischen den Kammern (8, 9; 18, 19; 28, 29) Strömungsmittel von einer Kammer (8, 9; 18, 19; 28, 29) zur anderen gelangen läßt;

eine Einrichtung (3; 13, 21; 46, 47), mit der eine äußere Kraft oder Bewegung an mindestens eine Endwand (2, 24, 5; 12, 14, 15; 22, 23, 25, 26) gelegt wird, was eine Veränderung im Volumen einer Kammer (8, 9; 18, 19; 28, 29) und eine Verdrängung von Flüssigkeit aus dieser Kammer (8, 9; 18, 19; 28, 29) in die jeweils andere Kammer (8, 9; 18, 19; 28, 29) hervorruft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (6, 7; 16, 17; 27, 28) im wesentlichen zylindrisch und in axialer Richtung flexibel und im wesentlichen in ümfangsrxchtung nicht flexibel sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (6, 7; 16, 17; 27, 28) gewellte Bälge aus korrosionsbeständigem Material der erforderlichen

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Stärke, beispielsweise aus Edelstahl, sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (8, 9; 18, 19) Endwände (2, 24; 14, 15) aufweisen, die sich in Abstand von einer gemeinsamen Endwand (5; 12) befinden, und daß sich der Strömungsmittelweg (10, Ii; 20) in der gemeinsamen Endwand (5; 12) befindet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endwände (2, 4) in Abstand voneinander starr an einer mittleren Stange oder Spindel (3) befestigt sind, wobei die gemeinsame Wand (5) zwischen diesen Endwänden (2, 4) liegt und eine mittlere Öffnung aufweist, durch welche die Stange bzw. Spindel (3) hindurchverläuft.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 bei Rückbeziehung auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Endwand (12) eine Basis bildet, auf welcher die Bälge (16,' 17) nebeneinander montiert sind, wobei die Endwände (14, 15) durch einen gelenkigen Hebel (21) miteinander verbunden sind, an welchem die äußere Kraft bzw. Bewegung angelegt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Endwand (5) starr an einem Gehäuse (31) befestigt ist, welches die Einrichtung einschließt, wobei die äußere Kraft oder Bewegung an der mittleren Stange bzw. Spindel (3) angelegt wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelweg von einem Rohr (11) mit sich erweiternden Enden gebildet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelweg von einem externen

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Rohr (40) gebildet ist, das mit öffnungen in den entsprechenden Endwänden (41, 42) der Kammern verbunden ist und in dem ein Strömungsmittelwiderstand (48) liegt.