Werkstoffprüfvorrichtung für Wechselbelastungen
Der Erzeugung von wechselnden Prüfkräften bei hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Werkstoffprüfvorrichtungen dienen im allgemeinen Kraftübersetzer. Diese Kraftübersetzer bestehen aus einem Zylinder und aus einem in diesem geführten Kolben, der an der Werkstoffprobe angreift. Während des Arbeitstaktes der Prüfvorrichtung fördert eine Pumpe einen Energieträger, beispielsweise Drucköl, in den Zylinder, wobei auf die Probe beispielsweise eine Druckkraft aufgebracht und die Probe gespannt wird. Beim anschliessenden Leertakt der Prüfvorrichtung wird die Förderung der Pumpe in den Zylinder des Kraftübersetzers unterbrochen und eine Austrittsöffnung im Zylinder freigegeben, so dass sich die Probe entspannen und mittels des Kolbens des Kraftübersetzers das Druckmittel aus dem Zylinder heraus und in einen Sammelbehälter schieben kann.
Die Austrittsöffnung des Zylinders wird von einem Drosselorgan beherrscht, in dem die während des Arbeitstaktes von der Pumpe zum Spannen des Druckmittels und der Probe aufgebrachte Energie in Wärme umgesetzt wird. Sie geht also für den Betrieb der Prüfvorrichtung verloren. Eine teilweise Rückgewinnung der zum Spannen der Werkstoffprobe erforderlichen Energie ist bisher schon bei Prüfvorrichtungen durchgeführt worden, die mit sogenannten Pulsatorpumpen arbeiten. Die als Kolbenpumpen ausgebildeten Pulsatorpumpen werden beispielsweise durch einen Antriebsnocken angetrieben und schieben den Energieträger zwischen dem Zylinder des Kraftübersetzers und dem Zylinder der Pulsatorpumpe hin und her.
Beim Einbringen des Energieträgers in den Zylinder des Kraftübersetzers während des Arbeitstaktes der Prüfvorrichtung wird, wie oben bereits beschrieben, die Probe gespannt. Beim anschliessenden Leertakt wird der Energieträger von der sich entspannenden Probe über den Kolben des Kraft übersetzers in den Zylinder der Pulsatorpumpe zurückgeschoben, und der Energieträger gibt seine Energie an den Pumpenkolben ab. Der Pumpenkolben wird dadurch entgegen der Richtung des Förderhubes bewegt und gibt die ihm mitgeteilte Energie über den Antriebsnocken an eine Schwungscheibe weiter. Die Schwungscheibe speichert die Energie, und diese steht beim nächsten Arbeitstakt der Prüfvorrichtung zum Antrieb des Pumpenkolbens zur Verfügung.
Wenn diese Anordnung auch eine weitgehende Rückgewinnung der zum Spannen der Probe erforderlichen Energie gestattet, so hat sie doch den Nachteil, dass ihre Anwendung auf Prüfvorrichtungen beschränkt ist, bei der der Pumpenkolben und der Kolben des Kraft übersetzers mit gleicher Frequenz arbeiten. Sie ist also beispielsweise für Vorrichtungen, die mit ständig fördernden Pumpen arbeiten, völlig ungeeignet. Die Anwendung der bekannten Anordnung ist ausserdem auf Prüfvorrichtungen mit rascher Lastwechselfolge, d. h. häufigem Wechsel zwischen Arbeitstakt und Leertakt, beschränkt, da sonst die Schwungscheibe unter Umständen eine praktisch nicht ausführbare Grösse haben müsste.
Der Erfindung liegt in Erkenntnis dieser Umstände die Aufgabe zugrunde, bei Prüfvorrichtungen eine Rückgewinnung der zum Spannen der Probe erforderlichen Energie auch dann zu ermöglichen, wenn die Fördermaschine und der Kraftübersetzer nicht mit gleicher Frequenz arbeiten, wenn also beispielsweise bei Prüfvorrichtungen mit wechselnder Belastung die Förderpumpe nicht als Pulsatorpumpe, sondern als kontinuierlich fördernde Pumpe ausgebildet ist. Weiter soll eine Energierückgewinnung auch dann durchführbar sein, wenn die Prüfvorrichtung mit nur geringer Lastwechselfolge arbeitet.
Die Aufgabe soll gemäss der Erfindung dadurch gelöst sein, dass der den Kraftübersetzer verlassende Energieträger einer Maschine zugeleitet wird, die unter Vermittlung eines Energiespeichers treibend auf die Förderung einwirkt.
Die Vorrichtung wird dann besonders einfach, wenn zur Förderung des Energieträgers eine Maschine zur Anwendung kommt, die auch als Motor betrieben werden kann. Derartige Maschinen sind in vielfacher Ausführung bekannt, beispielsweise als Rotationspumpen, Bauart Thoma. Sie zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, dass sie sowohl gegen einen hohen Druck fördern und damit als Pumpen arbeiten können, dass ihnen aber auch ohne Umkehr der Drehrichtung ein Betriebsmittel mit hohem Druck zugeführt werden kann, wodurch sie als Motor betrieben werden.
In der beiliegenden Zeichnung sind zwei Ausfüh rungsb ei spiele einer Werkstoffprüfvorrichtung gemäss der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel, teilweise im Schnitt nach der Linie I-I in Fig. 2, und
Fig. 2 das zweite Ausführungsbeispiel.
Gemäss der Fig. 1 ist eine stabförmige Werkstoffprobe 1 mit ihrem einen Ende in einem feststehenden Einspannkopf 2 gehalten. Das dem feststehenden Einspannkopf 2 abgewandte Ende der Probe 1 ist von einem beweglichen Einspannkopf 3 erfasst. Dieser bewegliche Einspannkopf wird von dem Kolben 4 eines hydraulischen Kraftübersetzers getragen. Der Kolben 4 ist in dem Zylinder 5 des Kraftübersetzers geführt.
An den Zylinder 5 sind eine Förderleitung 6 und eine Abströmleitung 7 angeschlossen. Jede der beiden Leitungen 6 bzw. 7 wird von einem Ventil 8 bzw. 9 beherrscht. Die beiden Ventile 8 und 9 werden in der Weise gesteuert, dass das Ventil 8 schliesst, wenn das Ventil 9 öffnet und umgekehrt. In die Förderleitung 6 fördert kontinuierlich eine schnellaufende regelbare Förderpumpe 10, die von einem Antriebsmotor 11 angetrieben wird. Die Förderpumpe bezieht ihr Betriebsmittel in Form von Drucköl aus einem Sammelbehälter 12 über eine Ansaugleitung 13. Die Abströmleitung 7 des Kraftübersetzers ist an eine als Motor wirkende hydraulische Maschine 14 angeschlossen, die über eine Leitung 15 mit dem Sammelbehälter 12 in Verbindung steht. Die hydraulische Maschine 14 und der Antriebsmotor 11 arbeiten auf die Antriebswelle 16 der Förderpumpe 10.
Auf der Antriebswelle 16 der Förderpumpe 10 sitzt zwischen dem Antriebsmotor 11 und der hydraulischen Maschine 14 ein Schwungrad 17.
Die in Fig. 1 im Schnitt nach der Linie I-I in Fig. 2 dargestellte hydraulische Maschine besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 21 mit einer konzentrischen Aussparung 22, in der sich eine exzentrisch gelagerte Nabe 23 dreht. Die Nabe sitzt drehfest auf der Antriebswelle 16 der Förderpumpe 10. Sie ist mit radial gerichteten Führungen zur Aufnahme von Kolben oder flachen Schiebern 24 versehen. Diese Schieber stützen sich mit ihren der Nabe 23 abgewandten Enden am äussern Rand der Aussparung 22 ab. In das Gehäuse 21 sind ausserdem noch zwei sichelförmige Hohlräume 25, 26 eingearbeitet, die mit der Aussparung 22 in Verbindung stehen, in Umfangsrichtung aber durch Stege 27, 28 des Gehäuses 21 voneinander getrennt sind.
Zu Beginn des ersten Arbeitstaktes der Prüfvorrichtung saugt die Förderpumpe 10 Drucköl aus dem Sammelbehälter 12 an und fördert dieses bei geöffnetem Ventil 8 über die Leitung 6 in den Zylinder 5 des Kraft übersetzers. Der Kolben 4 des Kraftübersetzers bewegt sich dabei nach unten, und auf die Probe 1 wird eine Druckkraft ausgeübt, wobei die Probe gespannt wird.
Zu Beginn des anschliessenden Leertaktes der Prüfvorrichtung schliesst das Ventil 8 und das bis dahin geschlossen gewesene Ventil 9 in der Abströmleitung 7 öffnet. Die Probe 1 kann sich entspannen, und sie drückt unter Vermittlung des Kolbens 4 das Drucköl aus dem Zylinder 5. Das aus dem Zylinder 5 austretende Drucköl wird dem sichelförmigen Hohlraum 25 der hydraulischen Maschine 14 zugeführt. Der Öldruck lastet hierbei sowohl auf den obern Schiebern 24 als auch auf den untern Schiebern 24. Da die obern Schieber dem Öldruck aber eine wesentlich grössere Angriffsfläche bieten als die untern Schieber, dreht sich die Nabe entgegen dem Uhrzeigersinn. Die hierbei von der Maschine aufgenommene Energie wird, vermindert um die unvermeidlichen Verluste, an die Antriebswelle 16 der Pumpe 10 bzw. die Schwungscheibe 17 abgegeben.
Der Antriebsmotor 11 hat auf diese Weise vom nächsten Arbeitstakt an nur noch die Energieverluste in der hydraulischen Maschine sowie die Drosselverluste usw. in den Leitungen, Ventilen und in dem Kraftübersetzer aufzubringen. Die Drehzahl der hydraulischen Maschine 14 ist unabhängig von der Lastwechselzahl des Kraftübersetzers und kann ein Vielfaches dieser Lastwechselzahl betragen, so dass zur Speicherung der von der hydraulischen Maschine abgegebenen und dem Antrieb der Pumpe 10 dienenden Energie eine relativ kleine Schwungscheibe dienen kann.
Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 die Maschine 14 ausschliesslich als Motor wirkt, arbeitet die gleiche Maschine bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 auch als Förderpumpe zum Fördern des Drucköls für den Betrieb des Kraftübersetzers.
Die Maschine 14 ist hierzu ohne weiteres in der Lage.
Denn für den Pumpenbetrieb fördern die von den Schiebern 24 gebildeten Zellen Drucköl von dem sichelförmigen Raum 25 in den sichelförmigen Raum 26, sobald die Nabe 23 von dem Motor 11 angetrieben wird. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 sind ausserdem Förder- und Abströmleitung als gemeinsame Leitung 31 an den Zylinder 5 des Kraftübersetzers angeschlossen, und diese Leitung wird von einem Drehschieber 32 beherrscht. Während des ersten Arbeitstaktes der Prüfvorrichtung wird die Maschine 14 durch den in der Fig. 2 nicht mehr gezeichneten Motor 11 angetrieben. Der Drehschieber 32 befindet sich in einer solchen Stellung, dass über seine Nut 33 und über die Saugleitung 34 Drucköl aus dem Sammelbehälter 12 von der angetriebenen Maschine 14 angesaugt und über die Leitung 35, die Nut 36 des Drehschiebers 32 und die Leitung 31 dem Zylinder 5 des Kraftübersetzers zugeführt wird.
Die Werkstoffprobe wird dabei wiederum gespannt. Für den anschliessenden Leertakt wird der Drehschieber 32 derart gedreht, dass unter der Wirkung der sich entspannenden Werkstoffprobe und unter Vermittlung des Kolbens 4 des Kraftübersetzers Drucköl aus dem Zylinder 5 verdrängt und über die Leitung 31, den Leitungszweig 37 und die Nut 33 des Drehschiebers der Maschine 14 zugeführt wird.
Beim Durchströmen der Maschine gibt das Drucköl seine Energie an die nunmehr als Motor arbeitende Maschine 14 ab, und diese treibt das auf der Welle 16 sitzende, jedoch in Fig. 2 nicht mehr dargestellte Schwungrad 17 an. Das die Pumpe verlassende Drucköl wird über die Leitung 35, die Nut 36 und die Leitung 34 wieder dem Sammelbehälter 12 zugeführt. Die von der Maschine 14 während des Leertaktes dem Schwungrad mitgeteilte Energie steht beim nächsten Arbeitstakt zum Antrieb der dabei wieder als Pumpe wirkenden Maschine zur Verfügung, und der Antriebsmotor hat nur die Energieverluste infolge innerer Reibung in der Probe sowie infolge Drosselverluste im Kraftübersetzer und den Leitungen usw. aufzubringen. Die Drehzahl der Maschine 14 ist unabhängig von der Drehzahl des Drehschiebers 32 und beträgt zweckmässig ein Mehrfaches der maximal vorkommenden Lastwechselzahl.
Es entfallen also auf jeden Hub des Kraftübersetzers mehrere Umdrehungen der Maschine 14, so dass auch bei kleinsten Lastwechselzahlen die Welle 16 mit hoher Drehzahl umläuft und das Schwungrad in einer ausführbaren Grösse gehalten werden kann.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf hydraulisch betriebene Prüfvorrichtungen beschränkt; sie umfasst ebenso Prüfvorrichtungen, die mit einem pneumatischen Energieträger arbeiten. Statt der in den Ausführungsbeispielen vorgesehenen hydraulischen Maschine ist dann lediglich eine pneumatisch zu betreibende Maschine vorgesehen. Ebenso ist es beispielsweise auch ohne weiteres möglich, mit Hilfe der hydraulischen Maschine in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 einen Generator zu betreiben, die erzeugte elektrische Energie zu speichern und diese Energie unmittelbar zum Antrieb eines Elektromotors zu verwenden, der die Förderpumpe 10 treibt.