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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.
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Resonance vibration device for fatigue testing of a test piece
One of the most important subtasks in dynamic material testing of components subject to flexural vibration, such as B. the blades of turbomachines (these are steam
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to imitate the constant stress of these components in operation for long periods of time. The fatigue tests are carried out in this case by exciting resonance vibrations of the tested component for any given shape of the bending line, that is vibrations with one or more nodal points. It is known from vibration theory that the shape of the dynamic bending
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excite the resonance vibrations of the desired number of vibrations without adding additional masses and stiffnesses to the tested component.
Some solutions to this difficult task have already been proposed, but the known arrangements do not meet the high requirements placed on them.
There are z. B. arrangements are known (see z. B. German Patent No. 743254), in which vibrations in the blade are excited by special springs attached to the tip of the blade.
The springs must be designed in such a way that their stiffness and mass are negligible. However, this condition is difficult or can only be fulfilled in cases of test objects with a low resonance frequency.
For constituents made from ferromagnetic material, a simpler excitation method can be used. in which an electromagnet is used which acts directly on the component under test (see e.g. German Patent Nos. 422100 and N4. 868674). In this case, of course, the additional mass is completely eliminated, the effect of the electromagnet on the tested object can, however, be regarded as equivalent to an additional rigidity which acts on the tested component, since the size of the air gap between the electromagnet and the vibrating component changes when the component vibrates changes. The resulting additional rigidity reaches considerable values.
It should be noted, however, that in contrast to the spring, this stiffness has a negative value.
In order to dispense with both the additional weight and the additional rigidity, a number of arrangements are used for fatigue tests, which are modifications of a vibration table on which the tested component (the shovel) is attached. The bending vibrations of the blade are excited here by the seismic effect of the blade mass. It is evident that this seismic effect will have a retroactive effect on the table vibrations, and in order to make this disadvantage possible: *: it is necessary to reduce the showroom. : se can be made negligible compared to the mass of the vibrating table (vibrator) (the ratio of both masses must be within the limits 1: 100 - 1: 1000).
The necessary increase in the mass of the vibrator, however, requires expensive and complicated excitation equipment to achieve the required vibration magnitude; so are z. B. in vibration exciters with electrical supply very expensive amplifiers with high power required.
There are also already known resonance vibrating devices for fatigue testing of a test piece by flexural vibrations, which have a support which is attached to a foundation with one end
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is attached, while its other, free end is provided with a clamping device for connecting the test specimen, the test specimen being excited to resonance by means of an electromagnet acting on the free end of the support. while the carrier only vibrates with minimal amplitudes. These devices still suffer from the fact that the stability of the vibrations is not guaranteed.
The present invention eliminates this deficiency in that the carrier has a resonance frequency that is significantly above the resonance frequency of the test object alone and that an electrical frequency is provided between the carrier and the test object at a point close to the clamped end of the test object
Vibration scanner is inserted, which records the relative movements between the free end of the support and the test specimen clamped on the same, the electrical pulses of this scanner being passed through an amplifier including phase shifter and, after amplification, the excitation winding of the
Electromagnet are fed.
In Fig. 1 the basic scheme of the arrangement is shown. The tested component - the
Shovel 1 is fastened by means of its sole 11 by a jaw 2 and screws 3 on the free end of a clamped carrier 4 on which a variable force P acts. The location is the
Shovel 1 is determined so that its longitudinal axis is approximately an extension of the longitudinal axis of the carrier 4. In order to save space, it would be possible to arrange the blade 1 in the opposite direction, but an important prerequisite for the correct mode of operation is that both longitudinal axes, that is both the carrier 4 and the blade 1, are essentially parallel. The fixed end 42 of the.
Carrier 4 is rigidly fixed in the fixed wall 5 and its dimensions are therefore chosen so that the lowest resonance frequency of the entire system, that is the carrier 4 and the clamping device 2, 3, including the mass of the blade 1, is high above the frequency range of the Vibrations of the tested blade 1 are. In this system, the oscillation amplitude of the acting force P is proportional at every point, the amplitude of the free end 41 of the carrier 4 being very small compared to the amplitude of the free end 12 of the blade 1.
Dynamically it is possible to compare this system, which vibrates with flexural vibrations, with an equivalent system for linear (that is, transversal) vibrations, as shown in FIG.
In this scheme, the beam 4 is represented by a stiffness 4c and mass 4m, and similarly, lc means the equivalent stiffness of the blade 1, while Im is its equivalent mass. If the natural frequency of the vibrations of the system of both by means of the stiffnesses (springs) 4c of the masses 4m and 1m suspended on the base mass 5z is significantly higher than the natural frequency of the system lm, Ic, only a small one is sufficient for the excitation of resonance vibrations of the system lu, le The mass 4 decays, but with the frequency of these resonance oscillations.
Basically, such systems are known in dynamics and are used to dampen vibrations, so that the system Im.1c forms a so-called dynamic damper of the system 4c, 4m, because in the case of an oscillation frequency that is equal to the resonance frequency of the dynamic damper Im, 1c is, the vibrations of the mass 4m are practically dampened.
In Fig. 2 an alternative arrangement of a curved beam is shown on which the tested component is clamped. In the case shown, the carrier is designed as an arm 4 'of a firmly clamped bracket 5'. The principle and the mode of operation of the system are not changed by this arrangement, however, it is necessary to take into account the shape of the carrier during the calculation, which will have a significant influence on its resonance frequency of the free oscillations.
In FIG. 3, an arrangement according to the invention for the electrical excitation and removal of vibrations in the system according to FIG. 1 or 2 is indicated.
The excitation is carried out by means of the electromagnet 6, which is supplied with alternating voltage of the resonance frequency of the system under test (that is, the blade 1). This excitation is very beneficial and represents the essential part of the present invention. This is because it is necessary, in order to reliably maintain the resonance frequency of the carrier 4 above all resonance frequencies of the tested blade vibrations, to make the carrier 4 very rigid. This circumstance enables a strong electromagnet 6 to be used. which is only removed from the end of the carrier edge by a small air gap a. The choice of a small air gap is, however, also due to the fact that the vibrations of the carrier 4 are very small during operation.
This is because they are dampened by the blade 1, which vibrates with free oscillations and which, as already mentioned earlier, forms a dynamic damper for the carrier 4.
In the event that a carrier 4 made of non-ferromagnetic material is used, its electromagnetic excitation can be done by an electromagnet 6 so that the end of the carrier 4 with
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an approach 7 is provided, which is composed of transformer sheets, as is also indicated in FIG. This arrangement is also advantageous for a support 4 made of steel.
The design of the system according to the invention also enables very simple removal or removal.
Measure the amplitude and frequency of the blade under test. The pickup 8 (FIG. 3), which is solidified on a shoulder 45 of the carrier 4 at, measures the relative movement between the end 41 of the carrier 4 and the point 13 in the vicinity of the bottom of the shovel 11.
However, it is very easy to transfer the size of the deflection at the point of contact 13 to the size of the deflection of the end 12 of the blade 1, or it is possible, if necessary, to use the measuring instrument or the pick-up 8 directly in relation to the vibrations of the blade end 12 to adjust.
In Fig. 3, the very effective and reliable vibration excitation with so-called positive feedback is shown in operation. Here the excitation coil 61 of the electromagnet 6 is fed by electrical alternating voltage, the source of which is the consumer 8. The electrical voltage proportional to the vibrations at point 13 of the shovel is fed from the consumer 8 to the amplifier 9, where a phase shifter is also switched on for the purpose of stabilizing the vibration excitation.
The alternating voltage of a sufficiently large amplitude with a resonance frequency of the free vibrations of the blade and a suitable phase shift causes the excitation of the electromagnet 6, so that all external influences, such as temperature, material fatigue and the like. The like. Be automatically compensated and the tested component vibrates at its resonance frequency during the entire test duration.
The system according to the invention for performing the fatigue tests has, as already mentioned, a number of essential advantages, in particular it should be mentioned that the weight of the carrier 4 or 4 'without any practical influence of the mass and the rigidity of the carrier on the type of vibrations of the tested shovel can be reduced to a minimum. As a result, the efficiency of the transfer of the vibration energy to the blade is significantly increased, because if the carrier 4 is small, an appropriately smaller vibration energy is required to excite it by an external force, so that the losses are very small.
The effect of the electromagnet can be imagined as a fictitious spring with negative stiffness, the size of this stiffness depending on the size of the magnet and indirectly on the setting of the air gap a. This additional rigidity, however, only relates to the carrier 4 and has no influence whatsoever on the actual tested object 1, which, without any additional masses or rigidity, vibrates under practically the same conditions under which its natural vibrations would be excited during operation.