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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dämpfungsvorrichtungen für
drehbare Wellen, die einen Zentrifugenrotor tragen und auf eine solche
Weise in einem Lager in einem Rahmen gelagert sind, daß eine
Schwingungsbewegung der Welle in Bezug auf den Rahmen während der Rotation
des Zentrifugenrotors zugelassen wird, wobei die Dämpfungsvorrichtung
mindestens ein erstes Reibungselement umfaßt, das auf eine solche Weise
mit dem Lager verbunden ist, daß die Welle in Bezug auf das
Reibungselement drehbar ist, und eine Anzahl von zweiten Reibungselementen, die
vom Rahmen getragen werden und um die Welle herum angeordnet sind,
wobei jedes der zweiten Reibungselemente so angeordnet ist, daß es durch
Schwerkraft in einer vorbestimmten Richtung zum ersten Reibungselement
gedrückt wird, so daß bei einer Schwingungsbewegung der Welle senkrecht
zu dieser vorbestimmten Richtung eine Dämpfungsreibung auftritt, wenn
sich das erste Reibungselement zusammen mit der Welle in Bezug auf das
zweite Reibungselement bewegt.
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Dämpfungsvorrichtungen dieser Art sind üblich bei vertikalen Zentrifugen,
in denen der Zentrifugenrotor an einem Ende der Welle getragen wird,
insbesondere wenn sich der Zentrifugenrotor bei einer Drehzahl dreht, die die
erste kritische Drehzahl übersteigt.
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In einer solchen Dämpfungsvorrichtung wird jedes der zweiten
Reibungselemente sehr sorgfältig bei seiner Bewegung in der vorbestimmten Richtung
kontrolliert. Die Reibungselemente, die normalerweise als zylindrische
Kolben ausgeführt sind, werden deshalb so angeordnet, daß sie axial in
zylindrischen Bohrlöchern beweglich sind und einen sehr genauen Gleitsitz in
diesen Löchern haben. Bei einem normalen Gleitsitz zwischen diesen Kolben
und den Bohrlöchern ist der Durchmesser der Löcher 0,01 bis 0,1 mm größer
als der Außendurchmesser der Kolben. Der Teil des Kolbens, das zweite
Reibungselement, der gegen das erste Reibungselement gedrückt wird, und
derjenige Teil, der durch das Bohrloch gesteuert wird, sind meistens einstückig
ausgeführt, können aber auch, wie in der DE-13 25 49 gezeigt, aus zwei
separaten Teilen hergestellt werden, die mittels einer Schraubverbindung
zusammengesetzt werden.
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Anstatt das erste Reibungselement wie bei diesen Dämpfungsvorrichtungen
auf eine solche Weise anzuordnen, daß es mit dem Lager verbunden ist, und
die zweiten Reibungselemente auf eine solche Weise, daß sie vom Rahmen
getragen werden, wie es in der GB-PS 9002/1913 gezeigt und im einleitenden
Teil zu Anspruch 6 beschrieben ist, werden die Reibungselemente umgekehrt
angeordnet, d. h. das erste Reibungselement wird auf eine solche Weise
angeordnet, daß es vom Rahmen getragen wird, und die zweiten
Reibungselemente werden auf eine solche Weise angeordnet, daß sie stattdessen vom
Lager getragen werden.
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Eine andere Dämpfungsvorrichtung dieses Typs ist in der US-A-2 487 343
offenbart.
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Im Zusammenhang mit Dämpfungsvorrichtungen der oben beschriebenen
Art gibt es schon lange das Problem der Wärmeerzeugung. Das bedeutet, daß
das Lager, das mit einem Reibungselement der oben beschriebenen Art
verbunden ist, bei einer ziemlich hohen Temperatur betrieben werden muß, was
die Lebensdauer des Lagers verkürzt.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Wärmeerzeugung, wie sie von
einer Dämpfungsvorrichtung der in Frage stehenden Art erzeugt wird, zu
reduzieren.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
Dämpfungsvorrichtung für eine drehbare Welle bereitgestellt, die einen Zentrifugenrotor
trägt und auf eine solche Weise in einem Lager in einem Rahmen gelagert
ist, daß eine Schwingungsbewegung der Welle in Bezug auf den Rahmen
während der Drehung des Rotors zugelassen wird, wobei die
Dämpfungsvorrichtung mindestens ein erstes Reibungselement umfaßt, das mit dem Lager
auf eine solche Weise verbunden ist, daß die Welle in Bezug auf das
Reibungselement drehbar ist, und eine Mehrzahl von zweiten
Reibungselementen, die vom Rahmen getragen werden und um die Welle herum verteilt
sind, wobei jedes der zweiten Reibungselemente durch Federkraft in einer
ihm zugeordneten vorbestimmten Richtung zum ersten Reibungselement
gedrückt wird, so daß bei einer Schwingungsbewegung der Welle senkrecht
zu dieser vorbestimmten Richtung eine Dämpfungsreibung auftritt, wenn
sich das erste Reibungselement zusammen mit der Welle in Bezug auf das
zweite Reibungselement bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der
zweiten Reibungselemente um eine begrenzte Strecke von mindestens 0,2
mm in Bezug auf den Rahmen in einer Richtung beweglich ist, die senkrecht
zur Welle und seiner zugeordneten Richtung ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Dämpfungsvorrichtung für
eine drehbare Welle bereit, die einen Zentrifugenrotor trägt und auf eine
solche Weise in einem Lager in einem Rahmen gelagert ist, daß eine
Schwingungsbewegung der Welle in Bezug auf den Rahmen während der Drehung
des Rotors zugelassen wird, wobei die Dämpfungsvorrichtung mindestens
ein erstes Reibungselement umfaßt, das vom Rahmen getragen wird, und
eine Mehrzahl von zweiten Reibungselementen, die um die Welle herum
verteilt und mit dem Lager auf eine solche Weise verbunden sind, daß die
Welle in Bezug auf das Reibungselement drehbar ist, wobei jedes der zweiten
Reibungselemente durch Federkraft in einer ihm zugeordneten
vorbestimmten Richtung zum ersten Reibungselement gedrückt wird, so daß bei einer
Schwingungsbewegung der Welle senkrecht zu dieser vorbestimmten
Richtung eine Dämpfungsreibung auftritt, wenn sich das zweite Reibungselement
zusammen mit der Welle in Bezug auf das erste Reibungselement bewegt,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes der zweiten Reibungselemente um eine
begrenzte Strecke von mindestens 0,2 mm in Bezug auf das Lager in einer
Richtung beweglich ist, die senkrecht zur Welle und zur vorbestimmten
Richtung ist.
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Eine Dämpfungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung hat
den Vorteil, daß sie nicht als Dämpfungsvorrichtung arbeitet, bis die Welle
Schwingungsbewegungen im Bereich der Dämpfungsvorrichtung ausführt,
die 0,2 mm übersteigen. Bei kleineren Schwingungsbewegungen stimmt es
zwar, daß die zweiten Reibungselemente an das erste Reibungselement
anstoßen, aber sie werden in diese Schwingungsbewegung senkrecht zur Welle
nur innerhalb des Bereichs der Strecke mitgezogen, ohne daß das zu einer
Relativbewegung zwischen ihnen und dem ersten Reibungselement führt.
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Wenn der Zentrifugenrotor relativ leicht ist, führt die Welle normalerweise
nur dann Schwingungsbewegungen aus, die 0,2 mm übersteigen, wenn eine
bestimmte kritische Drehzahl beim Hochfahren und Herunterfahren der
Zentrifuge durchlaufen wird, während die Schwingungsbewegungen durch
die Drehungen bei einer unkritischen Drehzahl des Zentrifungenrotors, wie
die Drehzahl während des normalen Betriebs, kleiner sind als 0,2 mm. Ist der
Zentrifugenrotor schwerer, muß die Strecke entsprechend der Erfindung
länger sein als 0,2 mm, wenn eine Dämpfung bei unkritischen Drehzahlen, z. B.
im Bereich von 0,4-1,0 mm, verhindert werden soll.
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In derjenigen Ausführungsform, in der die Erfindung in einer solchen
Dämpfungsvorrichtung verwendet wird, bei der das erste Reibungselement
mit dem Lager verbunden ist und die zweiten Reibungselemente vom
Rahmen getragen werden, ist es angezeigt, die Reibungselemente auf eine solche
Weise anzuordnen, daß sie durch Federkraft radial einwärts zum ersten
Reibungselement gedrückt werden.
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Andererseits ist es in derjenigen Ausführungsform, in der die Erfindung in
einer Dämpfungsvorrichtung verwendet wird, bei der das erste
Reibungselement vom Rahmen getragen wird und die zweiten Reibungselemente mit
dem Rahmen verbunden sind, angezeigt, die Reibungselemente in einer
solchen Weise anzuordnen, daß sie durch Federkraft radial auswärts zum
ersten Reibungselement gedrückt werden. Dadurch findet die
Wärmeerzeugung in einem größeren Abstand vom Lager statt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in beiden Fällen ist
jedes der zweiten Reibungselemente so angeordnet, daß es, unabhängig von
der Position der Reibungsvorrichtung entlang der Strecke, durch Federkraft
zum ersten Reibungselement bis zum Anstoßen über im wesentlichen ebene
Kontaktflächen gedrückt wird.
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Dank der Erfindung können die Federn somit den Schwingungsbewegungen
der Welle während des normalen Betriebs des Zentrifugenrotors mit voller
Kraft entgegenwirken, ohne daß eine unnötige Wärmeerzeugung stattfindet.
Erst wenn eine unnormal große Schwingungsbewegung auftritt, beginnt die
Dämpfungsvorrichtung, solche Schwingungsbewegungen zu dämpfen.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun einige ihrer
Ausführungsformen als Beispiele beschrieben, wobei auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird.
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Fig. 1 ist eine schematische axiale Querschnittsansicht durch einen Teil einer
Zentrifuge, die mit einer Dämpfungsvorrichtung nach der Erfindung
ausgestattet ist;
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Fig. 2 ist eine axiale Querschnittsansicht durch einen Teil einer
Dämpfungsvorrichtung nach der Erfindung;
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Fig. 3 ist eine radiale Querschnittsansicht einer Dämpfungsvorrichtung nach
der Erfindung; und
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Fig. 4 ist eine radiale Querschnittsansicht durch eine Dämpfungsvorrichtung
nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
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Eine Zentrifuge, wie sie schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, hat eine vertikale
Welle 1, die teilweise in einem unteren Lager 2 gelagert ist, das im
wesentlichen axiale auf die Welle 1 wirkende Kräfte aufnimmt, und teilweise in
einem oberen Lager 3, das im wesentlichen radiale Kräfte, die auf die Welle 1
wirken, aufnimmt. Die Welle 1 wird in der Zentrifuge z. B. durch einen
Schneckenantrieb 4 angetrieben, kann aber natürlich auch riemenbetrieben
sein.
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An ihrem oberen Ende oberhalb des oberen Lagers 3 trägt die Welle 1 einen
Zentrifugenrotor 5. Eine Anzahl von Federn 6 ist gleichmäßig um die Welle
herum 1 angeordnet, sodaß die Federn der Schwingungsbewegung der Welle
1 und der daran befestigten Teile, wie dem Zentrifugenrotor 5 und dem
oberen Lager 3, entgegen wirken, eine solche Bewegung aber jedoch in
begrenztem Umfang zulassen. Jede der Federn 6 wirkt mit einer Federkraft in einer
vorbestimmten Richtung zwischen der Welle 1 und dem Rahmen 7.
Zwischen den Federn 6 und dem oberen Lager 3 ist eine Dämpfungsvorrichtung
angeordnet, um Schwingungsbewegungen zwischen der Welle 1 und dem
Rahmen 7 zu dämpfen.
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Eine Ausführungsform einer Dämpfungsvorrichtung nach der Erfindung ist
in größerem Detail in Fig. 2 und 3 gezeigt. Diese Dämpfungsvorrichtung
umfaßt ein erstes ringförmiges Reibungselement 8, das die Drehachse koaxial
umgibt. In diesem Reibungselement 8 ist das obere Lager 3 angeordnet. An
der radial nach außen gerichteten Außenseite des ersten Reibungselementes
8 ist dieses mit einer Anzahl von geraden radial gerichteten ebenen
Kontaktflächen 9 versehen, die gleichmäßig um die Drehachse herum angeordnet
sind. Die Anzahl der Kontaktflächen 9 ist die gleiche wie die Anzahl der
Federn 6. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform einer
Dämpfungsvorrichtung nach der Erfindung sind sechs Federn 6 und Kontaktflächen 9 gezeigt.
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In dem gezeigten Beispiel werden sechs zweite Reibungselemente 10 in der
Form von zylindrischen Kolben jeweils durch die Federn 6 radial nach innen
gegen eine dieser Kontaktflächen 9 gedrückt. Um ein genaues Anstoßen
zwischen den ersten Reibungselementen 8 und den zweiten Reibungselementen
10 zu erzielen, sind die radial nach innen gerichteten Kontaktflächen der
zweiten Reibungselemente 10 auch eben. Die zweiten Reibungselemente 10
sind in zylindrischen Löchern 11 angeordnet, die senkrecht zur Drehachse in
einen Teil des Rahmens 7 gebohrt sind. Im Loch 11 wird eine Feder, die eine
vorbestimmte Länge in unbelastetem Zustand und eine vorbestimmte
Federkonstante hat, zwischen dem zweiten Reibungselement 10 und einem
Stopfen 12 auf eine solche Länge zusammengedrückt, daß die gewünschte
Federkraft erzielt wird. Die zylindrischen Löcher 11 haben einen größeren
Durchmesser als die Außendurchmesser der zweiten Reibungselemente, so
daß die letzteren in Bezug zum Rahmen 7 senkrecht zur Welle und
senkrecht zur vorbestimmten Richtung beweglich sind, wobei jede der Federn 6
gegen das erste Reibungselement 8 drückt, wobei eine begrenzte Strecke
mindestens 0,2 mm beträgt. Unabhängig von der Position des zweiten
Reibungselementes 17 entlang dieser Strecke wird dieses bis zum Anstoßen an das
erste Reibungselement 13 gedrückt. Obwohl es am einfachsten ist, zylindrische
Löcher zu verwenden, kann ihre Form auch elliptisch sein, z. B. mit der
Hauptachse senkrecht zur Welle und senkrecht zur vorbestimmten
Richtung.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Dämpfungsvorrichtung, in der sechs
erste Reibungselemente 13 von einem radial äußeren ringförmigen Element
14 getragen werden, das einen Teil des Rahmens 7 der Zentrifuge umfaßt.
Radial innerhalb dieses ringförmigen Elementes 14 ist ein radial inneres
ringförmiges Element 15 angeordnet, in dem sich das Lager 3 befindet. Radial
einwärts vom Rand des inneren ringförmigen Elementes 15 sind sechs
zylindrische Löcher 16 gebohrt, die jeweils zu einem ersten Reibungselement 13
hin zeigen. In jedem dieser zylindrischen Löcher 16 ist ein zweites
Reibungselement 17 angeordnet. Diese werden durch die Federkraft von einer in
jedem Loch 16 angeordneten Feder 18 mit einer vorbestimmten Federkraft
radial nach außen bis zum Anstoßen an das erste Reibungselement 13 gedrückt.
Um einen guten Oberflächenkontakt zu erzielen, sind die Kontaktflächen der
ersten bzw. zweiten Reibungselemente 13 bzw. 17 eben und radial gerichtet.
In dieser Ausführungsform haben die zylindrischen Löcher 16 einen
größeren Durchmesser als der äußere Durchmesser der zweiten Reibungselemente
17, so daß die letzteren in dieser Ausführungsform in Bezug auf das radial
innere ringförmige Element 15, in dem sich das Lager befindet, senkrecht zur
Welle und senkrecht zur vorbestimmten Richtung beweglich sind, wobei
jede der Federn 18 um eine begrenzte Strecke, die mindestens 0,2 mm beträgt,
gegen das erste Reibungselement 13 drückt. Die Federn 18 drücken in diesem
Fall die Reibungselemente 13 und 17 bis zum Anstoßen gegeneinander,
unabhängig von der Position des zweiten Reibungselementes 17 entlang dieser
Strecke.
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In den gezeigten Ausführungsformen einer Dämpfungsvorrichtung nach
der Erfindung ist die Welle vertikal und trägt auf ihrem einen axialen Ende,
dem oberen Ende, einen Zentrifugenrotor, die Erfindung kann aber natürlich
auch in einer Zentrifuge verwendet werden, die eine horizontale Welle
aufweist und/oder in der der Zentrifugenrotor zwischen zwei Lagern
angeordnet ist wie in einer Dekanterzentrifuge.
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Die Federkraft wird in den gezeigten Beispielen durch separate mechanische
wendelförmige Federn erzielt. Diese können jedoch innerhalb des Rahmens
der vorliegenden Erfindung auch aus einem herkömmlichen mechanischen
elastischen Element wie einer Membran oder einem Gummielement
bestehen. Die Federkraft kann alternativ auch durch eines oder mehrere
hydraulische oder pneumatische Elemente erzielt werden.
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Obwohl die vorbestimmten Richtungen für die Federkräfte bevorzugt
werden, können die zweiten Reibungselemente durch diese Federkraft auch in
anderen Richtungen zu den ersten Reibungselementen gedrückt werden.