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.
Material testing device for alternating loads
Force translators are generally used to generate changing test forces in hydraulically or pneumatically operated material testing devices. These force transducers consist of a cylinder and a piston guided in it, which engages the material sample. During the working cycle of the test device, a pump conveys an energy carrier, for example pressure oil, into the cylinder, whereby a pressure force is applied to the sample, for example, and the sample is tensioned. During the subsequent idle cycle of the test device, the delivery of the pump into the cylinder of the power converter is interrupted and an outlet opening in the cylinder is opened so that the sample can relax and the pressure medium can be pushed out of the cylinder and into a collecting container by means of the piston of the power converter.
The outlet opening of the cylinder is controlled by a throttle device in which the energy applied by the pump during the work cycle to tension the pressure medium and the sample is converted into heat. It is therefore lost for the operation of the test device. A partial recovery of the energy required for tensioning the material sample has already been carried out in testing devices that work with so-called pulsator pumps. The pulsator pumps, designed as piston pumps, are driven, for example, by a drive cam and push the energy carrier back and forth between the cylinder of the power converter and the cylinder of the pulsator pump.
When the energy carrier is introduced into the cylinder of the force converter during the work cycle of the test device, the sample is clamped, as already described above. During the subsequent idle cycle, the energy carrier from the relaxing sample is pushed back into the cylinder of the pulsator pump via the piston of the power converter, and the energy carrier transfers its energy to the pump piston. The pump piston is thereby moved against the direction of the delivery stroke and transfers the energy it has been given to a flywheel via the drive cam. The flywheel stores the energy and this is available for the next work cycle of the test device to drive the pump piston.
Even though this arrangement allows the energy required to tension the sample to be recovered to a large extent, it has the disadvantage that its application is limited to testing devices in which the pump piston and the piston of the power converter operate at the same frequency. It is therefore completely unsuitable, for example, for devices that work with constantly conveying pumps. The known arrangement can also be used for testing devices with rapid load change sequences, i.e. H. frequent change between work cycle and idle cycle, limited, since otherwise the flywheel would have to have a practically impossible size under certain circumstances.
In recognition of these circumstances, the invention is based on the task of enabling the energy required for tensioning the sample to be recovered in test devices even if the conveying machine and the power converter do not operate at the same frequency, i.e. if, for example, the feed pump does not work in test devices with changing loads is designed as a pulsator pump, but as a continuously conveying pump. Furthermore, energy recovery should also be feasible when the test device operates with only a small sequence of load changes.
According to the invention, the object is to be achieved in that the energy carrier leaving the power converter is fed to a machine which, through the intermediary of an energy store, has a driving effect on the conveyance.
The device is particularly simple when a machine is used to convey the energy carrier, which machine can also be operated as a motor. Such machines are known in multiple designs, for example as rotary pumps, type Thoma. They are essentially characterized by the fact that they can both convey against a high pressure and thus work as pumps, but that they can also be supplied with an operating medium at high pressure without reversing the direction of rotation, whereby they are operated as a motor.
In the accompanying drawing, two examples of execution of a material testing device according to the invention are shown schematically, namely:
Fig. 1 shows the first embodiment, partially in section along the line I-I in Fig. 2, and
Fig. 2 shows the second embodiment.
According to FIG. 1, one end of a rod-shaped material sample 1 is held in a stationary clamping head 2. The end of the sample 1 facing away from the stationary clamping head 2 is gripped by a movable clamping head 3. This movable clamping head is carried by the piston 4 of a hydraulic power transmission. The piston 4 is guided in the cylinder 5 of the power converter.
A delivery line 6 and an outflow line 7 are connected to the cylinder 5. Each of the two lines 6 and 7 is controlled by a valve 8 and 9, respectively. The two valves 8 and 9 are controlled in such a way that the valve 8 closes when the valve 9 opens and vice versa. A high-speed controllable feed pump 10, which is driven by a drive motor 11, conveys continuously into the feed line 6. The feed pump draws its operating fluid in the form of pressurized oil from a collecting container 12 via a suction line 13. The discharge line 7 of the power converter is connected to a hydraulic machine 14 acting as a motor, which is connected to the collecting container 12 via a line 15. The hydraulic machine 14 and the drive motor 11 work on the drive shaft 16 of the feed pump 10.
A flywheel 17 is seated on the drive shaft 16 of the feed pump 10 between the drive motor 11 and the hydraulic machine 14.
The hydraulic machine shown in Fig. 1 in section along the line I-I in Fig. 2 consists essentially of a housing 21 with a concentric recess 22 in which an eccentrically mounted hub 23 rotates. The hub is seated in a rotationally fixed manner on the drive shaft 16 of the feed pump 10. It is provided with radially directed guides for receiving pistons or flat slides 24. These slides are supported with their ends facing away from the hub 23 on the outer edge of the recess 22. In addition, two sickle-shaped cavities 25, 26 are incorporated into the housing 21, which are connected to the recess 22, but are separated from one another in the circumferential direction by webs 27, 28 of the housing 21.
At the beginning of the first work cycle of the testing device, the feed pump 10 sucks pressure oil from the collecting container 12 and, with the valve 8 open, conveys this via the line 6 into the cylinder 5 of the power converter. The piston 4 of the power converter moves downwards and a compressive force is exerted on the sample 1, whereby the sample is tensioned.
At the beginning of the subsequent idle cycle of the test device, the valve 8 closes and the valve 9 in the outflow line 7, which was closed until then, opens. The sample 1 can relax and, through the intermediary of the piston 4, it presses the pressure oil out of the cylinder 5. The pressure oil emerging from the cylinder 5 is fed to the crescent-shaped cavity 25 of the hydraulic machine 14. The oil pressure is on both the upper slides 24 and the lower slides 24. Since the upper slides offer the oil pressure a much larger contact surface than the lower slides, the hub rotates counterclockwise. The energy absorbed by the machine, reduced by the unavoidable losses, is transferred to the drive shaft 16 of the pump 10 or the flywheel 17.
In this way, the drive motor 11 only has to apply the energy losses in the hydraulic machine and the throttle losses, etc. in the lines, valves and in the power converter from the next working cycle. The speed of the hydraulic machine 14 is independent of the number of load changes of the power converter and can be a multiple of this number of load changes, so that a relatively small flywheel can be used to store the energy delivered by the hydraulic machine and used to drive the pump 10.
While in the exemplary embodiment according to FIG. 1 the machine 14 acts exclusively as a motor, the same machine in the exemplary embodiment according to FIG. 2 also works as a feed pump for conveying the pressure oil for the operation of the power converter.
The machine 14 is easily capable of this.
This is because, for the pump operation, the cells formed by the slides 24 convey pressure oil from the sickle-shaped space 25 into the sickle-shaped space 26 as soon as the hub 23 is driven by the motor 11. In the embodiment according to FIG. 2, the delivery and discharge lines are also connected as a common line 31 to the cylinder 5 of the power converter, and this line is controlled by a rotary valve 32. During the first working cycle of the test device, the machine 14 is driven by the motor 11, which is no longer shown in FIG. The rotary valve 32 is in such a position that pressure oil is sucked in from the collecting container 12 by the driven machine 14 via its groove 33 and via the suction line 34 and the cylinder 5 via the line 35, the groove 36 of the rotary valve 32 and the line 31 of the power converter is supplied.
The material sample is again tensioned. For the subsequent idle cycle, the rotary valve 32 is rotated in such a way that, under the action of the relaxing material sample and through the intermediary of the piston 4 of the power converter, pressure oil is displaced from the cylinder 5 and via the line 31, the line branch 37 and the groove 33 of the rotary valve of the machine 14 is supplied.
As it flows through the machine, the pressurized oil releases its energy to the machine 14, which now operates as a motor, and this drives the flywheel 17, which is seated on the shaft 16 but is no longer shown in FIG. 2. The pressurized oil leaving the pump is fed back to the collecting container 12 via the line 35, the groove 36 and the line 34. The energy communicated to the flywheel by the machine 14 during the idle cycle is available for the next working cycle to drive the machine, which again acts as a pump, and the drive motor only has the energy losses due to internal friction in the sample and due to throttle losses in the power converter and the lines, etc. to apply. The speed of the machine 14 is independent of the speed of the rotary valve 32 and is expediently a multiple of the maximum number of load changes that occur.
There are therefore several revolutions of the machine 14 for each stroke of the power converter, so that the shaft 16 rotates at high speed even with the smallest number of load changes and the flywheel can be kept in an executable size.
The invention is of course not limited to hydraulically operated testing devices; it also includes test devices that work with a pneumatic energy carrier. Instead of the hydraulic machine provided in the exemplary embodiments, only a pneumatically operated machine is then provided. It is also possible, for example, to operate a generator with the aid of the hydraulic machine in the exemplary embodiment according to FIG. 1, to store the generated electrical energy and to use this energy directly to drive an electric motor which drives the feed pump 10.