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Förderung von Massengut durch schwingende Siebe oder Rinnen Zur Förderung
(Fortbewegung) von Massengut hat man sich bekanntlich vielfach des sog. Förderwurfes
bedient. Die hierfür erforderliche maschinelle Einrichtung besteht meist aus Sieben
oder Förderrinnen, die in einem bestimmten Winkel an Lenkerfedern stehend oder hängend
befestigt sind und das Massengut periodisch in einer schräg zur Ebene dieser fördernden
Teile verlaufenden Richtung beschleunigen.
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Es war bekannt, daß man dic Förderwirkung durch Änderung der Amplitude,
der Erregerzahl und der Schrägstellung der Federn in weiten Grenzen zu beeinflussen
vermag. Man wußte aber auch, daß viele andere Eigenschaften der Siebe, der Rinnen
und des Gutes den Fördervorgang beeinflussen, und konnte aus alledem bei der Schwierigkeit,
die einer Behandlung dieser Vorgänge, die teils den Schwingungs-, teils den Wurf-
und Fallgesetzen folgen, entgegenstehen, den inneren Zusammenhang nicht genau übersehen.
Man konnte mit anderen Worten nicht voraussagen, bei welchem festliegenden Ausschlag
(Amplitude), bei welcher festliegenden Frequenz und bei welcher festliegenden Schräglage
der Federn ein bestimmtes Sieb- oder Fördergut mit bester Nutzleistung gesiebt bzw.
gefördert wird.
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Die-Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Sie beruht in erster Linie auf einer Untersuchung,-welche Fragen bei dem Förderwurf
ganz allgemein, ob er bei Sieben oder bei Förderrinnen angewendet wird, Gültigkeit
haben. Schaltet man also die eigentliche Bestimmung, die das Sieb von der Förderrinne
unterscheidet, körniges oder staubiges Gut nach Korngröße zu unterteilen, dadurch
aus, daß man das Sieb praktisch als eine Förderrinne ansieht, die pro Periode einen
bestimmten Förderweg, nämlich je nach der Teilung des Siebgewebes zu fördern hat,
so bleibt der Fördervorgang an sich in beiden Fällen von denselben Bewegungsvorgängen
und von denselben baulichen Mitteln abhängig, d. h. Siebe können für die vorliegenden
Untersuchungen nach denselben Gesichtspunkten behandelt werden wie Rinnen. Denn
entweder ein Massenteilchen ist größer als die Öffnungen des betreffenden Gewebes,
dann wird es mit jeder Schwingung des Siebes genau so weitergefördert-`vie auf der
Rinne, oder es ist kleiner als die Maschenweite, dann wird es nur so lange gefördert,
bis es in eine offene Masche trifft. Hier fällt es natürlich durch und scheidet
damit für die Förderung aus.
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Die oben gestellte Aufgabe soll somit den allgemeinen gesetzlichen
Zusammenhang zwischen Wurf und Schwingung, d. h. das Prinzip der sog. Wurfförderung,
klären: Sie kann demnach nicht darauf hinauslaufen, nur die Bedingungen für die
höchste Fördergeschwindigkeit aufzustellen, sondern sie soll eire Lehre für den
Fachmann sein, wie er in jedem praktisch vorkommenden Einzelfall eine Höchstleistung
zu erzielen vermag.
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Den bei einem Förderwurf beobachtbaren
Bewegungsvorgang
kann man sich sinnfällig an Hand der Kurven- (Abb:- i bis 3) veranschaulichen: -In
Abb. i ist eine Kurve I dargestellt, durch die die wechselnde Geschwindigkeit der
periodisch schwingenden Fläche (Rinne oder Sieb) in Zentimetersekunden veranschaulicht
wird.
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Die Linie A-B gibt die Lage der Lenkerfedern an. Die eingezeichneten
Linien C,- Dl bis C, 5-D,5 zeigen den Weg, den beliebige feste Punkte C1
C5, die man auf der Oberfläche einer Rinne oder eines Siebes ins Auge fassen kann,
im Bewegungszustand nach Größe und Richtung zurücklegen.
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Die obere Begrenzungslinie der Rinnenfläche ist durch die Linie D1-D5,
die untere durch die Linie C1-C5 und die Mittellage durch die Linie 0-0 (Abb. i)
kenntlich gemacht.
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Die Linien C17 D1 bis C5 D5 sind unter der Voraussetzung, daß unendlich
fange Lenkerfedern verwendet werden, Gerade und schlie-Ben mit der Linie
0-0 den Anstellwinkel a
ein. Bei endlicher Federlänge werden die Linien
CI-D1 bis C, -D, zu wenig von der Geraden abweichenden Kreisbögen,
was jedoch von vernachlässigbarem kleinem Einfluß bleibt.
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Die -Kurve I kann man sich dadurch entstanden denken, daß man einen
in Richtung der Linie C1 D1 geneigten Papierstreifen senkrecht zur Papierebene an
der schwingenden Rinne derart vorbeigezogen denkt, daß ein in A angebrachter Schreibstift
den Bewegungsverlauf aufzeichnet: Richtet man nun die Geschwindigkeit des vorbeigezogenen
Papierstreifens so ein, daß die nach Abb. i umgeklappte Sinuskurve I die Mittellage
0-0 unter dem Winkel a schneidet, dann ergibt sich aus Abb. i folgendes:
Angenommen, ein Massenkörperchen m (Abb. i) befinde sich, während die Rinne ihre
unterste Grenzlage einnimmt, im Punkt C1. Im weiteren Verlauf wird es bei wachsender
Geschwindigkeit bis zum Punkt A beschleunigt, wo die Rinne und m ihre maximale Geschwindigkeit
aufweisen. Von A in der Richtung nach D1 nimmt die Geschwindigkeit der Rinne immer
rascher ab, so daß sich na auf Grund seiner Massenträgheit in dem Augenblick von
ihr ablösen muß, wo Geschwindigkeitsunterschied pro Sekunde die Erdbeschleunigung
von 981 cm/s2 überschreitet. Nimmt man an, daß dies in dem Augenblick eintritt,
wo m die Höhe h erreicht hat, so unterliegt von diesem Augenblick an das Massenkörperchen
m den Wurfgesetzen und die Rinne den Schwingungsgesetzen. Die Lösung des Problems
ist somit nach einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden neuen Erkenntnis
in der Feststellung zu erblicken, unter welchen Bedingungen das Ineinandergreifen
des nach besonderen Gesetzen verlaufenden Wurfvorganges und des anderen Gesetzen
unterliegenden Schwingungsvorganges ein Optimum ergibt.
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Verfolgt man den Verlauf des frei im Raume nach der Wurfparabel II
(Abb. i) bewegten Massenteilchens m, so erkennt man, daß es sich nur wenig von der
fördernden Fläche abzuheben und zu entfernen vermochte und etwa in dem Augenblick
wieder auf die Rinne auftrifft, wenn diese sich ihrer untersten Grenzlage nähert.
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Nimmt man weiterhin an, daß sich derselbe Vorgang unter sonst gleichen
Umständen, aber bei höherer Frequenz der schwingenden Fläche etwa nach der Wurfparabel
IV abspielt, so wird, weil das Massenkörperchen eine stärkere Beschleunigung erfährt,
die Wurfparabel höher verlaufen. Teils deshalb und teils wegen der höheren Frequenz
der Förderfläche muß daher m die Rinne erst wieder auf dem aufsteigenden Aste der
Schwingungskurve I erreichen. Das Massenteilchen in trifft also nach Kurve IV die
Rinne an einer Stelle des Raumes, wo die Rinnengeschwindigkeit ihr Maximum Va bereits
überschritten hat und rasch dem Werte Null zueilt.
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Eine Beschleunigung an dieser Stelle der Schwingungskurve I, an der
sich beim Beispiel der Kurve II bereits das Massenteilchen unter Überwindung der
Erdschwere von der Rinne abgelöst hatte, ist somit nicht möglich. Es muß zunächst
auf der Rinne liegenbleiben und kann erst während der nächsten Periode weitergefördert
werden. o Abb. i zeigt somit, daß etwa Kurve II die untere und Kurve IV die obere
Grenze darstellt, unterhalb bzw. oberhalb der ein störungsloser Förderwurf trockenen,
leicht ablösbaren Gutes unmöglich ist.
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Abb. i läßt aber auch erkennen, daß ein Höchstwert vorhanden sein
und daß sich dieser zwischen den beiden Grenzwerten nach der Kurve II und Kurve
IV befinden muß.
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Wählt man also bei dem durch Abb. i bereits festgelegten Anstellwinkel
a und dem von der Mittellage 0-0 zu rechnenden Ausschlag f (der Amplitude) eine
Schwingungsfrequenz, die etwa der Wurfkurve III entspricht, so ergibt sich die überraschende
Tatsache, daß das Massenteilchen im Punkt F, d. h. in einem Augenblick auf die Rinne
zurückfällt, wo diese sich der Mittellage 0-0 und damit . ihrer Höchstgeschwindigkeit
nähert.
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Dies hat zur Folge, daß i. m die pro Periode höchst vorstellbare Wurfweite,
d. h. die Entfernung zwischen C,7 D1 und C4 D4 erreicht während nach
Kurve
II pro Periode nur die Entfernung zwischen Cl D1 und C3-D3 und nach Kurve IV pro
zwei Perioden die Strecke zwischen C1 Dl und C,,-D.5, also auf die Periode gerechnet
die Hälfte hiervon, d. h. etwa der Weg zwischen C,-D1 und C2-D., erzielt wird; ferner
daß 2. die Sicherheit und Regelmäßigkeit des Wurf- und Fallvorganges in prozentual
weiten. Grenzen gewährleistet und somit Spannungs-und Belastungsschwankungen leicht
überwunden werden.
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Aus den Gesetzen, die den Wurf beherrschen, einerseits und den Schwingungsgesetzen
andererseits kann man nun für jeden vorstellbaren Fall das richtige Ineinandergreifen
der beiden Bewegungsvorgänge errechnen.
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Hierbei hat sich aber weiterhin die überraschende Tatsache ergeben,
daß jenes richtige optimale Ineinandergreifen durch eine ganz bestimmt geartete
Kombination und daß diese wiederum durch eine Zahl gekennzeichnet ist, die im nachfolgenden
Kennziffer genannt werden soll.
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Mit anderen Worten: Trägt man, wie dies in Abb.2 geschehen ist, die
den Förderwurf beeinflussenden Größen: Ausschlag (Amplitude) f in Zentimeter, Quadrat
der Umlaufszahl n= und Sinus des Anstellwinkels sin a an den drei Raumkoordinaten
auf, so ergibt sich das Förderwurfoptimum aus dem Produkt dieser Größen
f - 7a= - sin a als eine Zahl, die in die Nähe von 2öö ooo
fällt.
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Stellt man die möglichen Kombinationen zwischen f - yi' und
sin a in Raumkoordinaten als einen prismatischen Körper dar, so zieht sich
das Optimum der Wurfförderbewegung, wie in Abb. 2 dargestellt, als eine gekrümmte
Fläche durch diesen Raum hindurch, so daß alle vorstellbaren Kombinationen, je nach
ihrer Entfernung von diesem Optimum, als weniger gut oder vollkommen unbrauchbar
anzusehen sind.
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Die optische Fläche weist bei mathematischer Untersuchung eine Begrenzung
in Richtung der Z-Achse auf, weil beispielsweise bei einem Anstellwinkel der Lenkerfedern
von go°, d. h. bei einem Vertikalwurf, jede Horizontalkomponente ausgeschaltet und
eine Förderung unmöglich ist. Ähnlich verhält es sich beim Horizontalwurf, d. h.
beim Winkel Null, bei dem die Vertikalkomponente verschwindet und somit kein Abheben
erfolgt. Dieser verhältnismäßig plötzliche Übergang wird in der Praxis noch durch
Reibungsvorgänge usw. beeinflußt, ändert aber an sich nichts an Gültigkeit und Richtigkeit
des oben Gesagten.
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In Richtung der X- und Y-Achse ist eine willkürliche Begrenzung der
optimalen Fläche bei n@ = r ooo ooo und f = ro cm gewählt worden,
über die hinaus man sich praktisch die optimale Fläche in weiten Grenzen und mathematisch
bis ins Unbegrenzte verlängert denken kann. Die Begrenzung durch den Sinus des Winkels
a erkennt man aus Abb. 2, wenn man die sich ergebenden Begrenzungskurven der optimalen
Fläche einerseits bis zum Punkt A, andererseits bis zum Punkt B
und
C verlängert denkt.
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In A laufen die beiden Begrenzungskurven zusammen, so daß der Gesamtwert
f si= - sin a = Null wird.
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In den Punkten B, D und C ist sinx = r, so daß die Kurve hier
in die zwei senkrecht aufeinanderstehenden Geraden B-D-C übergeht. Weil der Wurfvorgang
vom Augenblick des Abhebens des Masseteilchens an von der Rinne unabhängig vom Schwingungsvorgang
und der Schwingungsvorgang von demselben Augenblick an unabhängig von dem Wurf,
organg ist, muß, wie ohne weiteres einzusehen, zwischen beiden ein innerer, naturgesetzlicher
Zusammenhang das richtige Ineinandergreifen regeln.
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Diesen naturgesetzlichen Zusammenhang kennzeichnet das Produkt aus
den Größen f - n=' - sin a, das immer denselben konstanten Zahlenwert ergeben muß,
um die Bedingung des Eingreifens zu erfüllen, und daher als eine Kennziffer bezeichnet
worden ist.
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Die Kennziffer bezeichnet somit das bestmögliche Ineinandergreifen
des sich periodisch im Erdfeld abspielenden Wurfvorganges mit dem harmonischen oder
unharmonischen Schwingungsvorgang, z. B. bei periodisch fördernden Rinnen oder Sieben.
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Ist das bestmögliche Ineinandergreifen beider Vorgänge nicht gewährleistet,
d. h. ist vielleicht die Zeit zur Beschleunigung des Fördergutes zu kurz oder löst
sich das Fördergut zu spät von der Rinne, so fällt beide Male, wie dargetan, die
Förderleistung rasch ab.
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Die Kennziffer schneidet also aus den unendlich vielen Kombinationen,
die den Raun zwischen der Frequenzachse X, der .Amplitudenachse Y und der
Z-Achse mit dem sin a
von o bis 9o° ausfüllen, einen den Höchstwert und die
ihr angenäherten Werte enthaltenden flächenhaften Körper aus, der sich, wie aus
Abb. 2 erkennbar, verhältnismäßig stark dem Koordinatenkreuz anschmiegt. Der um
ein Vielfaches größere Teil des Raumes bleibt somit unberührt.
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Aus dem Aufbau der mathematischen Formel ergibt sich ohne weiteres,
daß der konstante Wert, die Kennziffer (das Optimum), für das richtige Ineinandergreifen
der beiden genannten Vorgänge beispielsweise für hohe Frequenzen nur dann erzielbar
ist, wenn durch relativ kleinen Ausschlag (Amplitude)
und entsprechenden
Wert von sin ä das Gesamtprodukt den Kennzifferwert ergibt.
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Umgekehrt bedingt ein großer Ausschlag (große Amplitude) bei entsprechendem
sin u eine niedrige Frequenz.
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Man kann also - und hieraus ergibt sich der außerordentliche Vorteil
der offenbarten Lehre -, wenn praktische Forderungen vorliegen, etwa die Forderung,:
daß der Förderwurf bei einem bestimmten Anstellwinkel je nach der Korngröße i mm,
io mm oder ioo mm betragen soll, hierfür in jedem Einzelfalle die günstigste Frequenz
ermitteln.
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Natürlich kann man auch, falls praktische Angaben vorliegen, die gänzlich
aus dem Rahmen des Möglichen fallen, die Richtung bestimmen, in der eine Änderung
vorgenommen werden muß.
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Hieraus erkennt man, daß man auch aus der Kennziffer die günstigsten
Werte für größte Fördergeschwindigkeit zu errechnen vermag, wie sich aus Abb. 3
ergibt.
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Trägt man nach Abb. 3 den Anstellwinkel a, in Geraden gemessen, auf
der X-Achse und die Fördergeschwindigkeit, in Meterminuten gemessen, auf der Y-Achse
auf, so erhält man das überraschende Ergebnis, daß die Fördergeschwindigkeit, in
Meter gemessen, mit fallender Frequenz des fördernden Teiles ansteigt.
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Aus dem Schaubild Abb. 3 erkennt man, däß, wenn man für ganz beliebig
herausgegriffene Kombinationen, d. h. etwa für einen Anstellwinkel von 15',
30' und 450 und die Frequenzen 1000, 500 und a50, die zugehörigen
Schwingungsamplituden berechnet, diese bei- linearem Abfall der Frequenz im quadratischen
Verhältnis ansteigen. Dies bedeutet also, daß, wenn für jeden einzelnen errechneten
Punlct auf Grund der Kennziffer das günstigste Ineinandergreifen zwischen dem Wurfvorgang
und dem Schwingungsvorgang in einer Schar von Kurven ermittelt wird, sich die maximale
Fördergeschwindigkeit nach der Richtung niedriger Frequenzen, kleiner Anstellwinkel
und hoher Amplituden hin bewegt.
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Die günstigste Wirkung für Siebe in Abhängigkeit von der Maschenweite
bewegt sich, wie aus derselben Betrachtung hervorgeht, in umgekehrter Richtung,
d. h. je feinkörniger das abzusiebende Gut und dementsprechend die Maschenweite
-des Siebes ist, um so mehr neigt das aus der Kennziffer errechenbare günstigste
Ergebnis nach großem Anstellwinkel und hoher Frequenz bei kleinem Ausschlag hin.
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Hieraus geht hervor, daß sich zur Erreichung höchster Leistungen in
Zukunft Siebe-je nach der zu trennenden Korngröße durch ihre äußere Form und Bemessung
durch- ihren Anstellwinkel und durch ihre Frequenz entsprechend den sich aus obigem
ergebenden Bedingungen voneinander unterscheiden müssen. Ähnliche, in anderer Richtung
verlaufende Kennzeichen weisen auch die Förderrinnen auf.
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Als praktische Anwendungsbeispiele sind .in den Abb. 4 und 5 zwei
Vorrichtungen zum Sieben bzw. Fördern schematisch dargestellt.
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In der an sich bekannten Ausführungsform nach Abb. 4 bedeuten d einen
Siebkasten oder eine Förderrinne, b, b die schräg stehenden Lenkerfedern
und 37 einen Elektromotor, der vermittels eines EZzentertriebes e das Sieb bzw.
die- Förderrinne in zwangsläufig schwingende Bewegungen versetzt.
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Wird die Anordnung für Siebzwecke gebaut, so kann man aus der Maschenteilung
des Siebes auf die Wurfweite und von dieser auf die anzuwendende Frequenz schließen
und hieraus mit Hilfe der Kennziffer f, n und a
errechnen. Man kann
aber auch die Fördergeschwindigkeit des Siebes und damit seine Leistung ermitteln.
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Soll die Anordnung dagegen für Förderrinnen verwendet werden, so ist
dieWurfweite insoweit von dem zu fördernden Gut abhängig zu machen, als dieses,
wenn es sich um Kohle usw. handelt, keine Beschädigung erfahren darf. Bei Gütern
kann, soweit höchste Leistung erwünscht ist, auf größte Wurfweite hin bemessen werden.
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Handelt es sich um feuchtes, backendes Gut, so muß naturgemäß außer
der Erdbeschleunigung noch die backende Wirkung des Gutes an der schwingenden Masse
(Sieb oder Förderrinne) in Form einer von Fall zu Fall zu ermittelnden Konstanten
berücksichtigt werden.
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Nun hat aber die Ausführungsform nach Abb.4 für Siebe und Rinnen den
Nachteil, daß sie einen schlechten mechanischen Wirkungsgrad aufweist, der die Vorteile
des optimalen Förderwurfes um so mehr aufheben kann, je größer sich- die schwingende
Masse einerseits und-die Schwingungszahl ia bzw. n= anderseits aus den obengenannten
Verhältnissen ergibt.
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Wählt man für Siebe und Rinnen dagegen eine Ausführungsform nach Abb.
5, bei der die Massen unter Anwendung elastischer Mittel schwingungsfähig ausgebildet
sind und durch lose Kopplung innerhalb des Resonanzbereiches angetrieben werden,
so erreicht man in mechanischer, siebtechnischer und fördertechnischer Beziehung
das Maximum, wenn man sich sinngemäß innerhalb der oben angegebenen optimalen Grenzen
bewegt.
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In Abb. 5 bedeutet ai die obere Masse des Siebes oder einer Förderrinne,
a2 die untere Masse. Beide Massen sind durch U-förmig
gestaltete
Federbeine b1, b2 miteinander verbunden und lose gegen die Erde abgestützt. Die
Erregung durch den Motor lbI, den Exzentertrieb e und die lose Kopplung'k erfolgt
derart, daß zwischen beiden Massen eine z8ogradige Phasenverschiebung eintritt und
damit die Gesamtanordnung in bezug auf Kraft-und Massenwirkungen auf das Fundament
störungsfrei arbeitet.
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Die Kombination einer solchen an sich bekannten Vorrichtung, die den
Bedingungen des Massenausgleiches und des günstigsten mechanischen und schwingungstechnischen
Wirkungsgrades entspricht, nach der offenbarten Lehre gebaut, bemessen und betrieben
ist, gestattet in bezug auf den F örderwurfvorgang die günstigste Nutzleistung zu
erreichen und die Sieb- und Rinnentechnik «-eitgehend zu bereichern.
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Die im vorliegenden offenbarte Lehre kann, abgesehen von den angegebenen
Beispielen, selbstverständlich überall dort angewendet werden, wo ein periodischer
Wurfvorgang durch ein zwangsläufiges (hubbegrenztes) System an sich bekannter Art
oder wo ein periodischer Wurfvorgang durch ein schwingendes (kraftbegrenztes) System
-bekannter Bauarten zum Zwecke der Arbeitsleistung angewendet wird.
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Eine bloße Änderung des Zahlenwertes, durch Anwendung eines anderen
Maßsystems oder durch eine Förderung über jede zweite, dritte oder x-te Periode
hervorgerufen, ändert natürlich am Wesen des Erfindungsgegenstandes nichts.