Hydraulischer Wechsellasterzeuger mit einem in einem Zylinder beweglichen Arbeitskolben, insbesondere für die Materialpriifung.
Wechsellasterzeuger, z. B. für die Material iwiifnny, müssen mitunter mit niedrigen Fre quenzen arbeiten, bei denen sich die wechselnden Lasten nicht auf dynamischem Wege, z B. durch Massenkrafte, erzeugen lassen.
Man hat deshalb verschiedene hydraulische Erzeuger gebaut, die entweder mit Ventilsteuerungen oder mit einem Kurbeltrieb arbei ten. Bei Ventilsteuerungen sind stossweise Än- derungen von Drücken und damit auch pl¯tzlielle Laständerungen kaum vermeidbar. Bei Erzeugern, die mit Kurbeltrieben und Kolbenpumpen arbeiten, bereitet die Regulierung der Lastamplituden Schwierigkeiten und erfordert hohen Aufwand an m. echanischen Mitteln wie verstellbaren Doppelexzentern, Kur betsehwingen oder verstellbaren Auffang raiumen fizr das Druekmittel. Man ist daher dazu übergegangen, langsam wechselnde Lasten mit einem Spindeltrieb aufzubringen.
Triebe bestehen aus einer Gewindespindel mit einer Mutter, die über ein Ketten- rad in wechselnder Richtung bewegt wird. Der Antrieb erfolgt über ein Wendegetriebe oder über ein gewöhnliches Übersetzungsgetriebe und einen Wendemotor. Nachteilig am Spin deltrieb ist sein geringer Wirkungsgrad, die dadurch bedingte Erwärmung der aufeinander gleitenden Teile und das Spiel zwischen der Flutter und ihren Anlageflächen, das sich beim Durchgang der Last durch die Nullage oft st¯rend bemerkbar macht.
Der Wechsellasterzeuger nach der Erfin dung soll die Vorteile des Spindeltriebes (leichte Hubregelung) mit den Vorteilen des hydraulischen Antriebes (guter Wirkungs- grad) vereinen. Er ist ein hydraulischer Er zeuger mit einem in einem Zylinder beweglichen Arbeitskolben und zeichnet sich erfindungsgemäss durch eine umkehrbar fördernde Druckflüssigkeitspumpe aus, welche mit den Zylinderkammern beiderseits des Arbeitskolbens in offener Verbindung steht.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
In Fig. 1 ist ein erster Weehsellasterzeu- ger für die dynamische Materialprüfung gezeigt. 1 bezeichnet den Prüfkörper. Er ist auf seiner einen Seite fest eingespannt. Auf der andern Seite ist der Wechsellasterzeuger angebracht. Dieser Wechsellasterzeuger weist einen Arbeitskolben 3 auf, der sieh im Zylin- der 4 bewegt und mit dem Prüfkörper über die Kolbenstange 2 verbunden ist. Die beiden Zylinderkammern 5L und 5R sind über die Leitungen 6L und 6R mit einer Druckflüssig- keitspumpe, beispielsweise einer Zahnradpumpe 7, in offener Verbindung. Diese wird vom Motor 8 angetrieben.
Der Motor liegt über die Wendeschütze 9 an der Netzspan nung. Eine in Fig. l nicht gezeigte Pumpe sorgt für den Ersatz des Leeköls.
Am beweglichen Ende des Prüfkörpers 1 ist die Kontaktzunge 10 zwischen festen Kon taktanschlagen 11L und 11R derart angeordnet, dass ein Stromkreis geschlossen wird, sobald der Kolbenweg bzw. die Prüfkörperverfor mung eine bestimmte Grenze erreicht hat. Der Stromkreis betätigt ein Relais, und dieses kehrt über die Wendesch tze 9 die Drehrichtung des rotors 8 um. Mit dieser Kontakteinrichtung werden schwingende Lasten auf den Pr fkörper gegeben, wobei sich die Belastungsrich- tung selbsttätig Ïndert, sobald die an den KontaktanschlÏgen 11L und 11R eingestellten Grenzen erreicht sind.
In eine Verbindungs- leitung zwischen den beiden Zylinderkammern können Überdruckventile eingeschaltet sein, die eine Überlastung des Erzeugers verhindern. Es können auch ¯berdruckventile 12 im Kolben selbst angeordnet sein. Die Leitungen 6L und 6R sind so kurz und glatt wie m¯glich gewählt, damit jede unnötige Erzeugung von Reibungswärme vermieden wird und die Druekflüssigkeit bei kurzen wechselnden Hüben nieht nur zwischen Pumpe und Leitungen pendelt.
Da die Druckflüssigkeit praktisch inkom pressibel ist, hat die Wendepumpe 7 also nur den Zweck, die Druekflüssigkeit von der einen Zylinderkammer zur andern zu pumpen. Die Druckdifferenz, die sich zwischen den beiden Kolbenseiten einstellt, wird allein von der Federkonstanten des Prüfkörpers bestimmt.
Die Pumpe f r den Ersatz des Leeköls muss gleichzeitig dafür sorgen, dass der mittlere Druek grösser bleibt als die Druckamplitude, damit niemals in den Räumen 5L und 51 der Druck unter den Atmosphärendruck sinkt.
Andernfalls könnte die Gefahr auftreten, dass an den Dichtungen zwischen der Kolbenstange 2 und den Zylinderdeckeln Luft eingesaugt wird.
Fig. 2 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit @ die Druekdifferenz P zwischen beiden Kolbenseiten, die sieh beim Arbeiten der Pumpe selbsttätig einstellt. Die H¯he der Amplitude Pg und der mittleren Druckdifferenz Pe, wird durci die Stellung der Kontakte 11L und llss beeinflusst. Das Schwungmoment der 310- torwelle und der Pumpendrehteile ist so gering als möglieh zu halten, damit die Umsteuerzeit klein und die Umsteuergenauigkeit hoch ausfällt.
Fig. 3 veranschaulicht die Kräfte auf die Kolbenstange 2 in Abhängigkeit vom Hub.
Mit PR ist die Kraft auf die reehte Kolbenseite und mit PL die Kraft auf die linke Kolbenseite bezeichnet. Die Differenz der Ab solutbeträge PL minus PR ist die auf das Prüf- objekt wirkende Kraft. Mit +h max und-h max sind die Grenzen für den Hub bezeichnet. Es ist angenommen, dass an beiden Zylinderkam- mern Überdruckventile angebracht sind, die dafür sorgen, dass in keiner der beiden Kammern der Druck eine bestimmte Grenze überschreitet.
Je nach der Stellung der Kontakte 11L und 11R können die weehselnden Lasten auf das Prüfobjekt entweder, wie gezeichnet, reine oder reine sehwellende Lasten sein, das heisst nu irgendeinen positiven oder negativen Vollastwert schwingen oder im Übergangsgebiet zwischen beiden liegen.
Fig. 4 zeigt einen weiteren hydraulischen Wechsellasterzeuger f r die Materialprüfung.
Mit 1 ist wieder der Prüfkörper, in diesem Fall ein Prüfstab, und mit 2 die Kolbenstange bezeichnet. 3 und 4 sind der Arbeitskolben und der Zvlinder, 5j und 5R die Zy- linderkammern auf beiden Seiten des Kolbens und 6j und 6n die Leitungen zur Pumpe 7, die vom Motor 8 mit vorgeschalteter Wende- schütze 9 angetrieben wird. In Reihe mit dem Prüfkörper 1 sind ein Kraftmesser 13, der die Hohe der Sehwinglasten elektrisch oder optiseh ablesen lϯt, und ausserdem eine Feder 14 gesehaltet, die bei starren Prüfstäben dazn dient, die gesamte Federkonstante der unter Last stehenden Teile herabzusetzen.
Ausser der Feder 14 ist bei dem dargestellten Weehsel- lasterzeuger noch eine Feder 15 mit einem Unwuchterreger 16 am freien Ende angeord- net. Dieser erlaubt, ausser den niederfrequen- ten Wechsellasten des hydraulischen Erzeu- gers aucli höherfrequente Schwingblasten über die Uberdruekventile 19L und 19R vorhanden.
Der Drehschieber 20'ist nicht nur fiir die F¯r derungssteuerung des Lecköls, sondern auch f r die Umsteuerung zwischen Kuppeln und Entkuppeln eingesetzt. Die Pumpe 18 saugt aus dem Ölbehälter 21 über einen Saugkorb 22 und ein Riiekschlagventil 23 61 an, das zum Teil durch das Überdruckventil 24 und eine gemeinsame Rückleitung 25 in den 01- raum 21 zurückfliesst.
Steht der Drehschieber in der gezeichneten Stellung, so fördert die Leeköl-und Kupplungspumpe 18 ber die Leitung 17 Íl in die beiden Leitungen 17L und 17R und damit in die beiden Kammern 5L und 5R Die mittlere Kammer 5i ist ber die Leitung 17i und den Drehschieber 20'mit der gemeinsamen Rüekflussleitung 25 verbunden.
Die Pumpe 18 bewirkt also, dass die Kolbenteile sich nähern und die Verbindung zwischen dem Prüfkörper 1 und dem Kolben gelöst wird. Die Kolbenteile bleiben dann in der durch die Anschläge 26 im Zylinder 4 gegebenen Stellung stehen.
Beim Kuppeln steht der Drehschieber in der in Fig. 7 wiedergegebenen Stellung. Das Drueköl der Pumpe 18 geht ber die Leitung 17 in die Leitung 17i und damit in die Zylinderkammer 5i. Es treibt die beiden Kolben 3L und 3R auseinander, bis die Anschläge 27L und 27R an den Kolbenstangen 2i bzw. 2L am Prüfobjekt anliegen. Das ¯berdruckventil 24 ist auf einen höheren Druck eingestellt als die Überdruckventile 19L und 19R In dem Ma¯, wie Öl in die Kammer 5i gelangt, wird das Öl aus den Kammern 5L und 5R durch die Uberdruckventile 19L und 19R in die gemeinsame Rüekleitung 25 abfliessen.
Sobald also der Prüfkörper 1 mit den beiden Kolbenstangenteilen 2L und 2R durch die Anschläge 27L und 27R starr verbunden ist, sorgt die Pumpe 18 nur noch für den Ersatz des Leck öls. Der Druck in der Kammer 5i wird durch das Überdruckventil 24 und die maximalen Drüeke in den Kammern 5L und 5R werden durch die Uberdruckventile 19L und 19R bestimmt. Die Durchmesser der Kolbenstangenteile 2L und 2R müssen gleich gross sein, damit bei Betrieb der Wendepumpe die Verkleine (tic Feder 15 auf den Prüfkörper 1 aufzu- bringen.
Mit 17 ist die Förderleitung einer I'umpe 18 bezeichnet, die einen gewünschten mittleren Druck in den Zylinderkammern herstellt bzw. fiir Ersatz des Lecköls sorgt.
Die Überdruckventile 12, 19L und 19R . sorgen dafür, dass der Höchstdruck in den beiden Zylinderkammern vorgegebene Grenzen nieht berschreitet. Mit Hilfe des Drehschiebers 20 kann erreicht werden, dass das Lecköl entweder auf die eine oder andere Kolbenseite, das heisst in eine der beiden Zylinderkammern 5IR oder 5L gefördert wird. Je nachdem, ob Lasten im Zugschwellbereich oder im Druekschwellbereich erzeugt werden, ist die eine Schieberstellung 20L oder die andere Schieberstellung 2OR günstiger. 21 ist der ÍlbehÏlter, in den das Lecköl zurückfliesst.
Fig. 5 stellt einen Wechsellasterzeuger dar, bei dem zur Erzielung möglichst kurzer Leitungswege die Wendepumpe 7 im Kolben 3 selber angeordnet ist. Der Motor 8 treibt die Wendepumpe durch den hohlen Teil 2'der Kolbenstange an.
Bei Untersuchung der Betriebsfestigkeit von Werkstoffen müssen niederfrequente weehselnde Lasten und höherfrequente Sehwinglasten einander ablosen. Bei dem Erzeuger nach Fig. 4'ist dies ohne weiteres möglich, weil zwischen den Prüfkörper 1 und die Kolbenstange 2 die Zusatzfeder 14 g eschaltet ist. Es gibt FÏlle, in denen die Einschaltung einer Hub verbrauchenden Zu aatrfeder unerwünscht ist.
In Fig. 6 ist ein Wechsellasterzeuger gezeigt, bei dem der Kolben geteilt ist und Mittel zum hidraulischen Kuppeln und Entkuppeln dieses Kolbens vorhanden sind. l ist wieder der Prüfkörper oder ein mit ihm verbundener Teil. Die Kolbenstange besteht aus den drei Teilen 2L, 2R und 2i und der Kolben selbst aus den Teilen 3L und 3R.
An den Zvlinder 4 ist wieder die Wendepumpe 7 angesehlossen. Der Motor und die Kontakt- einrichtung sind nicht gezeichnet. Der Zylinder enthÏlt die drei Kammern 5L, 5R und 5i.
Ferner sind wieder eine Leekölpumpe 18 und rung der Kammer 5L gleich der Vergrösserung der Kammer 5R ist und umgekehrt.
Hydraulic alternating load generator with a working piston movable in a cylinder, especially for material testing.
Alternating load generator, e.g. B. for the material iwiifnny, sometimes have to work with low fre frequencies, at which the changing loads cannot be generated dynamically, e.g. by inertial forces.
Various hydraulic generators have therefore been built that work either with valve controls or with a crank drive. With valve controls, sudden changes in pressures and thus sudden changes in load can hardly be avoided. For producers who work with crank drives and piston pumps, the regulation of the load amplitudes is difficult and requires a lot of effort on m. Mechanical means such as adjustable double eccentrics, cure betsehwingen or adjustable catchment areas for the pressure medium. One has therefore switched to applying slowly changing loads with a spindle drive.
Drives consist of a threaded spindle with a nut that is moved in alternating directions via a chain wheel. The drive takes place via a reversing gear or via an ordinary transmission gear and a reversing motor. The disadvantage of the spindle drive is its low efficiency, the resulting heating of the parts sliding on each other and the play between the flutter and its contact surfaces, which is often annoying when the load passes through the zero position.
The alternating load generator according to the invention is intended to combine the advantages of the spindle drive (easy stroke control) with the advantages of the hydraulic drive (good efficiency). He is a hydraulic He generator with a movable working piston in a cylinder and is characterized according to the invention by a reversibly conveying pressure fluid pump, which is in open connection with the cylinder chambers on both sides of the working piston.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.
In Fig. 1, a first load generator for dynamic material testing is shown. 1 designates the test body. He is firmly clamped on one side. The alternating load generator is attached to the other side. This alternating load generator has a working piston 3 which is moved in the cylinder 4 and is connected to the test body via the piston rod 2. The two cylinder chambers 5L and 5R are in open connection with a pressure fluid pump, for example a gear pump 7, via the lines 6L and 6R. This is driven by the motor 8.
The motor is connected to the mains voltage via the reversing contactors 9. A pump, not shown in FIG. 1, replaces the leeward oil.
At the movable end of the test body 1, the contact tongue 10 is arranged between fixed contact stops 11L and 11R in such a way that a circuit is closed as soon as the piston travel or the test body deformation has reached a certain limit. The circuit operates a relay, and this reverses the direction of rotation of the rotor 8 via the reversing contactor 9. With this contact device, oscillating loads are placed on the test body, the direction of the load changing automatically as soon as the limits set on contact stops 11L and 11R are reached.
In a connection line between the two cylinder chambers, pressure relief valves can be switched on, which prevent the generator from being overloaded. Pressure relief valves 12 can also be arranged in the piston itself. The lines 6L and 6R are chosen to be as short and smooth as possible, so that any unnecessary generation of frictional heat is avoided and the pressure fluid never only oscillates between the pump and the lines during short alternating strokes.
Since the pressure fluid is practically incom pressible, the reversing pump 7 only has the purpose of pumping the pressure fluid from one cylinder chamber to the other. The pressure difference that occurs between the two sides of the piston is determined solely by the spring constant of the test body.
At the same time, the pump for replacing the leeward oil must ensure that the mean pressure remains greater than the pressure amplitude so that the pressure in spaces 5L and 51 never drops below atmospheric pressure.
Otherwise, there could be a risk of air being sucked in at the seals between the piston rod 2 and the cylinder covers.
FIG. 2 shows the pressure difference P between the two sides of the piston as a function of the time @, which is set automatically when the pump is working. The level of the amplitude Pg and the mean pressure difference Pe is influenced by the position of the contacts 11L and 11ss. The moment of inertia of the 310 gate shaft and the rotating pump parts must be kept as low as possible so that the reversing time is short and the reversing accuracy is high.
Fig. 3 illustrates the forces on the piston rod 2 as a function of the stroke.
With PR the force on the right side of the piston and with PL the force on the left side of the piston. The difference between the absolute amounts PL minus PR is the force acting on the test object. The limits for the stroke are designated by + h max and -h max. It is assumed that pressure relief valves are attached to both cylinder chambers, which ensure that the pressure does not exceed a certain limit in either of the two chambers.
Depending on the position of the contacts 11L and 11R, the alternating loads on the test object can either be pure or pure visual wave loads, as shown, that is, oscillate any positive or negative full load value or lie in the transition area between the two.
4 shows another hydraulic alternating load generator for material testing.
1 again denotes the test body, in this case a test rod, and 2 denotes the piston rod. 3 and 4 are the working piston and the cylinder, 5j and 5R are the cylinder chambers on both sides of the piston and 6j and 6n are the lines to the pump 7, which is driven by the motor 8 with an upstream reversing contactor 9. In series with the test body 1 are a dynamometer 13, which allows the magnitude of the visual oscillations to be read electrically or optically, and also a spring 14, which, in the case of rigid test rods, serves to reduce the total spring constant of the parts under load.
In addition to the spring 14, a spring 15 with an unbalance exciter 16 is also arranged at the free end in the illustrated alternating load generator. In addition to the low-frequency alternating loads of the hydraulic generator, this also permits higher-frequency oscillating loads to be present via the pressure relief valves 19L and 19R.
The rotary valve 20 'is used not only for the control of the leakage oil feed, but also for switching between coupling and uncoupling. The pump 18 sucks in from the oil container 21 via a suction strainer 22 and a check valve 23 61, which partially flows back through the pressure relief valve 24 and a common return line 25 into the oil chamber 21.
If the rotary valve is in the position shown, the leeward oil and clutch pump 18 delivers oil into the two lines 17L and 17R via the line 17L and 17R and thus into the two chambers 5L and 5R. The middle chamber 5i is via the line 17i and the rotary valve 20 'connected to the common return line 25.
The pump 18 thus causes the piston parts to approach and the connection between the test body 1 and the piston is released. The piston parts then remain in the position given by the stops 26 in the cylinder 4.
During coupling, the rotary valve is in the position shown in FIG. 7. The pressure oil of the pump 18 goes via the line 17 into the line 17i and thus into the cylinder chamber 5i. It drives the two pistons 3L and 3R apart until the stops 27L and 27R on the piston rods 2i and 2L are in contact with the test object. The pressure relief valve 24 is set to a higher pressure than the pressure relief valves 19L and 19R.In the Mā, how oil enters the chamber 5i, the oil from the chambers 5L and 5R will flow through the pressure relief valves 19L and 19R into the common return line 25 .
As soon as the test body 1 is rigidly connected to the two piston rod parts 2L and 2R by the stops 27L and 27R, the pump 18 only provides for the replacement of the leak oil. The pressure in the chamber 5i is determined by the pressure relief valve 24 and the maximum pressures in the chambers 5L and 5R are determined by the pressure relief valves 19L and 19R. The diameter of the piston rod parts 2L and 2R must be of the same size so that the small (tic spring 15) can be applied to the test body 1 when the reversing pump is in operation.
The delivery line of a pump 18 is designated by 17, which produces a desired mean pressure in the cylinder chambers or replaces the leakage oil.
The pressure relief valves 12, 19L and 19R. ensure that the maximum pressure in the two cylinder chambers does not exceed specified limits. With the aid of the rotary valve 20 it can be achieved that the leakage oil is either conveyed to one or the other side of the piston, that is to say in one of the two cylinder chambers 5IR or 5L. Depending on whether loads are generated in the tensile swell area or in the pressure swell area, one slide position 20L or the other slide position 2OR is more favorable. 21 is the oil container into which the leakage oil flows back.
Fig. 5 shows an alternating load generator in which the reversing pump 7 is arranged in the piston 3 itself in order to achieve the shortest possible line paths. The motor 8 drives the reversing pump through the hollow part 2 'of the piston rod.
When examining the fatigue strength of materials, low-frequency oscillating loads and higher-frequency visual oscillating loads must separate from one another. In the case of the generator according to FIG. 4 ', this is easily possible because the additional spring 14 is connected between the test body 1 and the piston rod 2. There are cases in which the activation of a hub-consuming accessory spring is undesirable.
6 shows an alternating load generator in which the piston is divided and means are present for hydraulic coupling and uncoupling of this piston. l is again the test body or a part connected to it. The piston rod consists of the three parts 2L, 2R and 2i and the piston itself consists of parts 3L and 3R.
The reversing pump 7 is connected to the cylinder 4 again. The motor and the contact device are not shown. The cylinder contains the three chambers 5L, 5R and 5i.
Furthermore, a leeward oil pump 18 is again and the chamber 5L is equal to the enlargement of the chamber 5R and vice versa.