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Resonanz-Vibriervorrichtung zur Ermüdungsprüfung eines Prüflings
Eine der wichtigsten Teilaufgaben bei der dynamischen Werkstoffprüfung von durch Biegungsschwingungen beanspruchten Bestandteilen, wie z. B. der Schaufeln von Strömungsmaschinen (das sind Dampf-
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stigste Beanspruchung dieser Bestandteile im Betrieb für lange Zeitabschnitte nachzuahmen. Die Ermüdungsprüfungen werden in diesem Fall durch Erregen von Resonanzschwingungen des geprüften Bestandteiles für jede gegebene Form der Biegungslinie durchgeführt, das ist von Schwingungen mit einem oder mehreren Knotenpunkten. Aus der Schwingungstheorie ist es bekannt, dass die Form der dynamischen Bie-
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die Resonanzschwingungen der erwünschten Schwingungszahl ohne Zugabe von weiteren Zusatzmassen und Steifigkeiten zum geprüften Bestandteil erregen.
Es wurden schon einige Lösungen dieser schwierigen Aufgabe vorgeschlagen, die bekannten Anordnungen erfüllen jedoch nicht die an sie gerichteten hohen Anforderungen.
Es sind z. B. Anordnungen bekannt (siehe z. B. die deutsche Patentschrift Nr. 743254), bei welchen Schwingungen in der Schaufel durch besondere, an der Schaufelspitze befestigte Federn erregt werden.
Die Federn müssen so beschaffen sein, dass ihre Steifigkeit und Masse vernachlässigbar sind. Diese Bedingung ist jedoch schwer bzw. überhaupt nur in Fällen von Prüflingen mit niedriger Resonanzfrequenz erfüllbar.
BeiBestandteilen aus ferromagnetischem Material kann ein einfacheres Erregungsverfahren angewendet werden. bei welchem ein direktauf den geprüften Bestandteil einwirkender Elektromagnet verwendet wird (siehe z. B. die deutschen Patentschriften Nr. 422100 und N4. 868674). Hiebei fällt selbstverständlich die Zusatzmasse vollkommen weg, die Wirkung des Elektromagneten auf den geprüften Gegenstand kann jedoch als gleichwertig einer zusätzlichen Steifigkeit betrachtet werden, die auf den geprüften Bestandteil einwirkt, da sich beim Schwingen die Grösse des Luftspaltes zwischen Elektromagnet und dem¯schwin- genden Bestandteil ändert. Die so auftretende zusätzliche Steifigkeit erreicht beträchtliche Werte.
Es ist allerdings zu bemerken, dass im Gegensatz zur Feder diese Steifigkeit einen negativen Wert besitzt.
Zwecks Erübrigung sowohl des Zusatzgewichtes als auch der Zusatzsteifigkeit wird für Ermüdungsprü- fungen eine Reihe von Anordnungen verwendet, welche Modifikationen eines Schwingungstisches sind, auf welchem er geprüfte Bestandteil (die Schaufel) befestigt wird. Die Biegeschwingungen der Schaufel werden hier durch seismische Wirkung der Schaufelmasse erregt. Es ist augenscheinlich, dass diese seismische Wirkung eine Rückwirkung auf die Tischschwingungen haben wird, und, um diesen Nachteil möglich : * : zu verringern, ist es nötig, die Schaufeima. : se gegenüber der Masse des schwingenden Tisches (Vibrators) vernachlässigbar zu machen (das Verhältnis beider Massen muss innerhalb der Grenzen 1 : 100 - 1 : 1000 sein).
Die nötige Massenvergrösserung des Vibrators erfordert jedoch zur Erzielung der benötigten Schwingungsgrösse eine kostspielige und komplizierte Erregerapparatur ; so sind z. B. bei Schwingungserregern mit elektrischer Speisung sehr kostspielige Verstärker mit hohen Leistungen erforderlich.
Es sind auch bereits Resonanz-Vibriervorrichtungen zur Ermüdungsprüfung eines Prüflings durch Biegungsschwingungen bekannt, die einen Träger auiweisen, welcher mit einem Ende an einem Fundament
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befestigt ist, während sein anderes, freies Ende mit einer Einspannvorrichtung für den Anschluss des Prüf- lings versehen ist, wobei mittels eines auf das freie Trägerende einwirkenden Elektromagneten der Prüf- ling zuResol1anzsdndnguîgen an3eregt wird. während der Träger dabei nur mit minimalen Amplituden schwingt. Diese Vorrichtungen leiden noch darunter, dass die Stabilität der Schwingungen nicht gewähr- leistet ist.
Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen Mangel dadurch, dass der Träger eine bedeutend oberhalb der Resonanzfrequenz des Prüflings allein liegende Resonanzfrequenz aufweist und dass an einer dem eingespannten Ende des Prüflings nahen Stelle zwischen dem Träger und dem Prüfling ein elektrischer
Schwingungsabtaster eingelegt ist, welcher die relativen Bewegungen zwischen dem freien Trägerende und dem auf demselben eingespannten Prüfling aufnimmt, wobei die elektrischen Impulse dieses Abtasters über einen Verstärker samt Phasenschieber geführt und nach ihrer Verstärkung der Erregerwicklung des
Elektromagneten zugeführt werden.
In Fig. 1 ist das grundsätzliche Schema der Anordnung dargestellt. Der geprüfte Bestandteil - die
Schaufel l-ist mittels ihrer Sohle 11 durch eine Backe 2 und Schrauben 3 auf dem freien Ende eines eingespannten Trägers 4 befestigt, auf welchen eine veränderliche Kraft P einwirkt. Dabei ist die Lage der
Schaufel l so bestimmt, dass ihre Längsachse ungefähr eine Verlängerung der Längsachse des Trägers 4 vorstellt. Zwecks Raumersparnis wäre es möglich, die Schaufel l auch in umgekehrtem Sinn anzuordnen, eine wichtige Voraussetzul1gderrichtigen Wirkungsweise ist jedoch, dass beide Längsachsen, das ist sowohl des Trägers 4 als auch der Schaufel 1, im wesentlichen parallel sind. Das feste Ende 42 des.
Trägers 4 ist in der festen Wand 5 starr befestigt und seine Abmessungen sind daher so gewählt, dass die niedrigste Resonanzfrequenz des ganzen Systems, das ist des Trägers 4 und der Einspannvorrichtung 2, 3, die Masse der Schaufel 1 inbegriffen, hoch oberhalb des Frequenzbereiches der Schwingungen der geprüften Schaufel 1 sind. Bei diesem System ist in jedem Punkt die Schwingungsamplitude der einwirkenden Kraft P propor- tional, wobei die Amplitude des freien Endes 41 des Trägers 4 gegenüber der Amplitude des freien Endes 12 der Schaufel 1 sehr klein ist.
Dynamisch ist es möglich, dieses mit Biegeschwingungen schwingende System mit einem äquivalenten System für lineare (das sind transversale) Schwingungen zu vergleichen, wie dies in Fig. la dargestellt ist.
In diesem Schema ist der Träger 4 durch eine Steifigkeit 4c und Masse 4m dargestellt, und ähnlich bedeutet lc die äquivalente Steifigkeit der Schaufel 1, während Im ihre äquivalente Masse ist. Falls die Eigenfrequenz der Schwingungen des Systems beider mittels der Steifigkeiten (Federn) 4c auf der Grundmasse 5z eingehängter Massen 4m und 1m bedeutend höher ist als die Eigenfrequenz des Systems lm, Ic, genügt für die Erregung von Resonanzschwingungen des Systems lu, le ein lediglich geringes Ausschwingen der Masse 4, allerdings mit der Frequenz dieser Resonanzschwingungen.
Grundsätzlich sind solche Systeme in der Dynamik bekannt und werden zur Dämpfung von Schwingungen verwendet, so dass das System Im. 1c einen sogenannten dynamischen Dämpfer des Systems 4c, 4m bildet, denn im Falle einer Schwingungsfrequenz, die der Resonanzfrequenz des dynamischen Dämpfers Im, 1c gleich ist, werden die Schwingungen der Masse 4m praktisch abgedämpft.
In Fig. 2 ist eine alternative Anordnung eines gebogenen Trägers dargestellt, auf welchem der geprüfte Bestandteil eingespannt wird. Im dargestellten Fall ist der Träger als ein Arm 4'eines fest eingespannten Bügels 5'ausgeführt. Das Prinzip unddie Wirkungsweise des Systems ändert sich durch diese Anordnung keineswegs, es ist allerdings erforderlich, bei der Berechnung auch die Form des Trägers in Erwägung zu ziehen, die einen wesentlichen Einfluss auf seine Resonanzfrequenz der freien Schwingungen haben wird.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemässe Anordnung zum elektrischen Erregen und Abnehmen von Schwingungen beim System gemäss Fig. l oder 2 angedeutet.
Das Erregen wird mittels des Elektromagneten 6 durchgeführt, der mit Wechselspannung von der Resonanzfrequenz des geprüften Systems (das ist der Schaufel 1) gespeist wird. Diese Erregung ist sehr vorteilhaft und stellt den wesentlichen Teil der vorliegenden Erfindung vor. Es ist nämlich erforderlich, um die Resonanzfrequenz des Trägers 4 sicher oberhalb aller Resonanzfrequenzen der geprüften Schaufelschwingungen zu erhalten, den Träger 4 sehr steif durchzuführen. Dieser Umstand ermöglicht, einen starken Elektromagnet 6 anzuwenden. der lediglich durch einen geringen Luftspalt a vom Ende der Trägerkante entfernt ist. Die Wahl eines kleinen Luftspaltes ist hier allerdings gleichzeitig auch dadurch bedingt, dass die Vibrationen des Trägers 4 im Betrieb sehr klein sind.
Sie werden nämlich durch die Schau- fel l gedämpft, die mit freien Schwingungen schwingt, und die, wie schon früher erwähnt wurde, einen dynamischen Dämpfer des Trägers 4 bildet.
Im Falle, dass ein Träger 4 aus nicht ferromagnetischem Material verwendet wird, kann seine elektromagnetische Erregung durch einen Elektromagnet 6 so geschehen, dass das Ende des Trägers 4 mit
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einem Ansatz 7 versehen wird, der aus Transformatorblechen zusammengesetzt ist, wie auch in Fig. 3 angedeutet ist. Diese Anordnung ist auch für einen Träger 4 aus Stahl vorteilhaft.
Die Ausführung des erfindungsgemässen Systems ermöglicht ferner ein sehr einfaches Abnehmen bzw.
Messen der Amplitude und Frequenz der geprüften Schaufel. Der auf einem Ansatz 45 des Trägers 4 bei festigte Abnehmer 8 (Fig. 3) misst die relative Bewegung zwischen dem Ende 41 des Trägers 4 und der Stelle 13 in der Nähe der Sohle der Schaufel 11.
Es ist allerdings sehr leicht, die Grösse des Ausschlages im Berührungspunkt 13 auf die Grösse des Ausschlages des Endes 12 der Schaufel 1 zu Überführen, bzw. ist es möglich, nach Bedarf das Messinstrument oder den Abnehmer 8 direkt in bezug auf die Schwingungen des Schaufelendes 12 zu justieren.
In Fig. 3 ist auch die sehr wirksame und im Betrieb verlässliche Schwingungserregung mit sogenannter positiver Rückkopplung dargestellt. Hier wird die Erregerspule 61 des Elektromagneten 6 durch elektrische Wechselspannung gespeist, deren Quelle der Abnehmer 8 ist. Vom Abnehmer 8 wird die den Schwingungen im Punkt 13 der Schaufel proportionale elektrische Spannung dem Verstärker 9 zugeführt, wo zwecks Stabilisation der Schwingungserregung auch ein Phasenschieber eingeschaltet ist.
Die Wechselspannung von einer genügend grossen Amplitude mit einer Resonanzfrequenz der freien Schwingungen der Schaufel und geeigneter Phasenverschiebung bewirkt die Erregung des Elektromagneten 6, so dass alle äusseren Einflüsse, wie Temperatur, Materialermüdung u. dgl. selbsttätig kompensiert werden und der geprüfte Bestandteil während der ganzen Prüfungsdauer mit seiner Resonanzfrequenz schwingt.
Das erfindungsgemässe System zur Durchführung der Ermüdungsprüfungen weist, wie bereits angeführt, eine Reihe von wesentlichen Vorteilen auf, insbesondere wäre anzuführen, dass das Gewicht des Trägers 4 bzw. 4'ohne praktischen Einfluss der Masse und der Steifigkeit des Trägers auf die Art der Schwingungen der geprüften Schaufel auf ein Minimum herabgesetzt werden kann. Dadurch wird gleichzeitig der Wirkungsgrad der Übergabe der Schwingungsenergie an die Schaufel wesentlich erhöht, denn bei kleinem Gewicht des Trägers 4 wird zu seiner Erregung durch eine äussere Kraft eine angemessen kleinere Schwingungsenergie benötigt, so dass die Verluste sehr klein sind.
Die Wirkung des Elektromagneten kann man sich als eine fiktive Feder mit negativer Steifigkeit vorstellen, wobei die Grösse dieser Steifigkeit von der Grösse des Magnetes und indirekt von der Einstellung des Luftspaltes a abhängt. Diese zusätzliche Steifigkeit bezieht sich jedoch lediglich auf den Träger 4 und hat überhaupt keinen Einfluss auf den eigentlichen geprüften Gegenstand l, welcher ohne jegliche Zusatzmassen oder Steifigkeiten praktisch unter denselben Bedingungen schwingt, unter welchen seine Eigenschwingungen im Betrieb erregt würden.