Materialpriifmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Materialprüfmaschine, durch welche eine Probe einer periodischen Wechselkraft unterworfen wird und bei welcher die Resonanzfrequenz des aus Probe und mitschwingenden Maschinenteilen gebildeten Schwingsystems ver änderbar ist, insbesondere auf einen Pulsator mit kontinuierlich veränderbarer höherer Lastwechselfrequenz. Das Arbeiten in der Resonanzfrequenz hat einmal den Vorteil, dass man einen sehr gut sinusförmi- gen Kraftverlauf erhält und Verzerrungen der Kraftverlaufskurven durch Resonanzverstärkung von höhe- ren Harmonischen vermieden werden. Zum andern hat man die Möglichkeit, die Resonanzüberhöhung auszunützen. Beide Faktoren spielen insbesondere bei hohen Lastwechselfrequenzen von beispielsweise 200 bis 500 Hz eine Rolle.
Bei bekannten Prüfmaschinen erfolgte die Ver änderung der Resonanzfrequenz durch Änderung einer angekoppelten, mitschwingenden Olmasse.
Dieses Verfahren ist insbesondere bei Prüfmaschinen mit kontinuierlich veränderlicher Lastwechselfrequenz nur schwer anwendbar. Es versagt vollständig bei hohen Frequenzen.
Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, die Resonanzfrequenz von Prüfmaschinen, und zwar auch von solchen, die mit hoher Lastwechselzahl arbeiten, in einfacher Weise einstellbar zu machen.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zu schaffen, welche die an der Probe wirksame Kraft unabhängig von der Probesteifigkeit, der Dämpfung und der Lastwechselfrequenz direkt zu messen gestattet.
Erfindungsgemäss ist an die im wesentlichen vom obern Spannkopf gebildeten, schwingenden Maschinenteile über eine Feder von veränderbarer Steifigkeit eine zusätzliche Abstimmasse konstanter Grösse angekoppelt. Durch Veränderung der Abstimmfeder kann die Resonanzfrequenz des aus der Probe und den schwingenden Maschinenteilen gebildeten Systems auf die Lastwechselfrequenz abgestimmt und zweck mässigerweise eingeregelt werden. Zur Messung der auf die Probe wirksamen Kraft kann man dann sowohl an den mitschwingenden Maschinenteilen als auch an der Abstimmasse je einen Beschleunigungsmesser anordnen und von diesen Beschleunigungsmessern elektrische Messwerte abnehmen und additiv überlagern, die jeweils proportional der betreffenden Masse und ihrer Beschleunigung sind.
Es lässt sich zeigen, dass die Summe dieser Beschleunigungsmesswerte in der Resonanz direkt proportional der an der Probe wirksamen Kraft ist, und zwar ist der Proportionalitätsfaktor eine reine Apparatekonstante, unabhängig von der Steifigkeit der Probe, der Lastwechselfrequenz und der Dämpfung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abbildung schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben :
Mit 1 ist ein Probestab bezeichnet, der zwischen einem als feststehend angesehenen, untern Spannkopf 2 und einem obern Spannkopf 3 eingespannt ist. Auf den obern Spannkopf 3 wirkt in hier nicht näher gezeigter Weise eine Erregerkraft P. Das Krafterzeugerteil, welches z. B. elektromagnetisch oder auch hydraulisch wirken kann, ist mit 4 bezeichnet.
Der obere Spannkopf und alle damit starr verbundenen, mitschwingenden Teile bilden zusammen die Masse m.
Der obere Spannkopf 3 trägt einen rohrförmigen Körper 5 mit drei in gleichen Abständen voneinander angeordneten, ringförmigen Einsätzen 6, 7, 8.
Oberhalb des Rohrkörpers 5 ist eine Abstimmasse m2 angeordnet. Diese (m2) ist mit einem in den Rohrkörper 5 hineinragenden Stützkörper 9 ver sehen, welcher zwei sich zwischen die ringförmigen Einsätze des Rohrkörpers 5 erstreckende Scheiben 10, 11 trägt. Zwischen diesen Scheiben 10, 11 und den ringförmigen Einsätzen 6, 7, 8 liegen vier ringförmige Druckluftkissen 12, 13, 14, 15, die untereinander durch Kapillaren 16, 17, 18 verbunden sind. An den Massen m3 und m2 sind Beschleunigungsmesser 19, 20 angeordnet, die so bemessen sind, dass die Messspannungen proportional der entsprechenden Masse/ bzw. m, sind.
Zweckmässigerweise wählt man als Beschleunigungsmesser piezoelektrische Bariumtitanatelemente, über welche sich jeweils eine Masse m m2 abstützt, wobei sich mi zu m2 verhält wie mi zu m2.
Diese Messspannungen werden additiv überlagert und die so erhaltene Wechselspannung, welche proportional mtl + m2y2 ist, einem Anzeigegerät 21 zugefiihrt. (yi und Y2 sind dabei die Koordinaten der Massen mi und m2.)
Ferner wird die Wechselspannung einem von der Phasenlage der Erregerkraft P gesteuerten, phasen- empfindlichen Gleichrichter 22, z. B. einem Ringmodulator oder auch einem einfachen Umpoler, zugeführt.
Dessen Ausgangsspannung schaltet ein zweipoliges Relais 23, welches einen rechts-und linkslaufenden Stellmotor 25, je nachdem ob der Mittelwert der Ausgangsspannung des Gleichrichters 22 positiv oder negativ ist, so einschaltet, dass er eine Drucksteuervorrichtung 26 in dem einen oder in dem andern Sinne verstellt. Diese Drucksteuervorrichtung 26 ist mit den Druckluftkissen 12, 13, 14, 15 verbunden und erhöht oder verringert den Druck in diesen Kissen 12, 13, 14, 15.
Die Maschine bildet ein gekoppeltes Schwingsystem, bestehend aus der Probe als eine Feder, deren Federkonstante mit Cl bezeichnet werden soll, der Spannkopfmasse m2, der Druckluftkissenanordnung als zweite Feder mit einer als C2 bezeichneten Federkonstanten und der Abstimmasse. Dieses System besitzt zwei Resonanzfrequenzen, die gegeben sind durch
EMI2.1
Bei Maschinen mit hoher Lastwechselfrequenz arbeitet man zweckmässigerweise in der durch das positive Vorzeichen gegebenen, obern Resonanzfrequenz, was auch im Interesse einer eindeutigen Regelmöglichkeit empfehlenswert ist.
Die Amplituden ai und a der Massen mi und m2 ergeben sich zunächst ohne Berücksichtigung der Dämpfung zu ¯ (C2-m2?2) a1 = m1m2?4-[(C1 + C2)m2 + C2m1]?2 + C1C2'
B C2 a2 = m1m2?4-[(C1 + C2)m2 + C2m1]?2 + C1C2'
Wie man zeigen kann, ist in den Resonanzfrequenzen der Wert (ma a1 + m2a2) ?2 = a1C1, also gerade gleich der an der Probe wirksamen Kraft.
Mit Hilfe der beiden Beschleunigungsmesser erhält man also am Instrument 21 einen von Probesteifigkeit und Frequenz unabhängigen Messwert für die auf die Probe tatsächlich aufgebrachte Wechselkraft.
Als Messwert für die Einregelung der Resonanzfrequenz dient bei der beschriebenen Anordnung die Phasendifferenz zwischen Schwingung und Erregerkraft. Diese Phasendifferenz beträgt in der Resonanz gerade 90O. Liegt die Resonanzfrequenz des Systems oberhalb der eingestellten Lastwechselfrequenz, so ist die Phasendifferenz < 90 , liegt sie unterhalb, ist die Phasendifferenz > 90 . Der Mittelwert der Aus gangsspannung des phasenempfindlichen Gleichrichters 22 ist dementsprechend einmal positiv, das andere Mal negativ. Damit wird gegebenenfalls über einen Glättungskondensator das zweipolige Relais 23 betätigt, welches den Drehsinn des Stellmotors 25 in entsprechender Weise schaltet.
Durch die Drucksteuervorrichtung 26 wird dann der Luftdruck in den Druckluftkissen 12, 13, 14, 15 verändert, bis die Eigenfrequenz des Systems mit der eingestellten Lastwechselfrequenz übereinstimmt.
Die Federkonstante der Druckluftkissenanordnung ergibt sich bei adiabatischen Vorgängen, die man bei höheren Frequenzen wohl voraussetzen kann, zu C-4- h wobei F die Ringfläche, p der Luftdruck, h die Höhe eines einzelnen Druckluftkissens und x das Verhältnis der spezifischen Wärmen von Luft bei konstantem Druck und bei konstanter Temperatur ist.
Das Einregeln der Resonanz kann auch mittels einer sonstigen Phasenvergleichsvorrichtung, z. B. mittels eines wattmetrischen Relais erfolgen, das bekanntlich einen Links-oder Rechtsausschlag ergibt, wenn eine Abweichung von der 909-Phasendifferenz vorliegt.
Material testing machine
The invention relates to a material testing machine, by which a sample is subjected to a periodic alternating force and in which the resonance frequency of the vibration system formed from the sample and machine parts that vibrate with it can be changed, in particular to a pulsator with a continuously variable higher load alternation frequency. Working in the resonance frequency has the advantage that you get a very good sinusoidal force curve and distortion of the force curve curves by resonance amplification of higher harmonics is avoided. On the other hand, you have the option of taking advantage of the increased resonance. Both factors play a role in particular at high load change frequencies of, for example, 200 to 500 Hz.
In known testing machines, the change in the resonance frequency was carried out by changing a coupled, resonating oil mass.
This method can only be used with difficulty in testing machines with a continuously variable load change frequency. It fails completely at high frequencies.
The main object of the invention is to make the resonance frequency of testing machines, including those that work with a high number of load cycles, adjustable in a simple manner.
The invention is also based on the object of creating a measuring device which allows the force acting on the sample to be measured directly, regardless of the sample rigidity, the damping and the load cycle frequency.
According to the invention, an additional tuning mass of constant size is coupled to the oscillating machine parts formed essentially by the upper clamping head via a spring of variable rigidity. By changing the tuning spring, the resonance frequency of the system formed from the sample and the vibrating machine parts can be matched to the load change frequency and appropriately regulated. To measure the force acting on the sample, one can then arrange an accelerometer on each of the machine parts that vibrate along with it as well as on the tuning mass, and take electrical measurements from these accelerometers and superimpose them, which are proportional to the mass in question and its acceleration.
It can be shown that the sum of these acceleration measured values in the resonance is directly proportional to the force acting on the specimen, namely the proportionality factor is a pure apparatus constant, independent of the stiffness of the specimen, the load cycle frequency and the damping.
An embodiment of the invention is shown schematically in the figure and described below:
1 with a test rod is designated, which is clamped between a lower clamping head 2 and an upper clamping head 3, which is regarded as stationary. On the upper clamping head 3 acts in a manner not shown here, an excitation force P. The force generator part, which z. B. can act electromagnetically or hydraulically is denoted by 4.
The upper clamping head and all rigidly connected, accompanying parts together form the mass m.
The upper clamping head 3 carries a tubular body 5 with three annular inserts 6, 7, 8 arranged at equal distances from one another.
A tuning mass m2 is arranged above the tubular body 5. This (m2) is provided with a supporting body 9 which projects into the tubular body 5 and which carries two disks 10, 11 extending between the annular inserts of the tubular body 5. Between these disks 10, 11 and the ring-shaped inserts 6, 7, 8 are four ring-shaped compressed air cushions 12, 13, 14, 15, which are connected to one another by capillaries 16, 17, 18. Accelerometers 19, 20 are arranged on the masses m3 and m2, which are dimensioned such that the measurement voltages are proportional to the corresponding mass / or m.
Expediently, piezoelectric barium titanate elements are selected as accelerometers, over which a mass m m2 is supported, where mi is related to m2 as mi is related to m2.
These measurement voltages are additively superimposed and the alternating voltage obtained in this way, which is proportional to mtl + m2y2, is fed to a display device 21. (yi and Y2 are the coordinates of the masses mi and m2.)
Furthermore, the alternating voltage is fed to a phase-sensitive rectifier 22 controlled by the phase position of the excitation force P, e.g. B. a ring modulator or a simple pole reversal supplied.
Its output voltage switches a two-pole relay 23, which switches on a clockwise and counterclockwise servomotor 25, depending on whether the mean value of the output voltage of the rectifier 22 is positive or negative, so that it adjusts a pressure control device 26 in one sense or the other. This pressure control device 26 is connected to the compressed air cushions 12, 13, 14, 15 and increases or decreases the pressure in these cushions 12, 13, 14, 15.
The machine forms a coupled oscillating system, consisting of the sample as a spring, the spring constant of which is designated as Cl, the clamping head mass m2, the compressed air cushion arrangement as a second spring with a spring constant designated as C2 and the tuning mass. This system has two resonance frequencies which are given by
EMI2.1
In the case of machines with a high load change frequency, it is advisable to work in the upper resonance frequency given by the positive sign, which is also recommended in the interest of a clear control option.
The amplitudes ai and a of the masses mi and m2 result without taking into account the damping as ¯ (C2-m2? 2) a1 = m1m2? 4 - [(C1 + C2) m2 + C2m1]? 2 + C1C2 '
B C2 a2 = m1m2? 4 - [(C1 + C2) m2 + C2m1]? 2 + C1C2 '
As can be shown, in the resonance frequencies the value (ma a1 + m2a2)? 2 = a1C1, i.e. exactly equal to the force acting on the sample.
With the aid of the two accelerometers, a measured value for the alternating force actually applied to the sample is thus obtained on the instrument 21, which is independent of the test rigidity and frequency.
In the arrangement described, the phase difference between vibration and excitation force is used as the measured value for adjusting the resonance frequency. This phase difference is just 90 ° in resonance. If the resonance frequency of the system is above the set load change frequency, the phase difference is <90, if it is below, the phase difference is> 90. The mean value of the output voltage from the phase-sensitive rectifier 22 is accordingly once positive, the other time negative. The two-pole relay 23, which switches the direction of rotation of the servomotor 25 in a corresponding manner, is thus actuated via a smoothing capacitor.
The pressure control device 26 then changes the air pressure in the compressed air cushions 12, 13, 14, 15 until the natural frequency of the system matches the set load change frequency.
The spring constant of the compressed air cushion arrangement results from adiabatic processes, which can probably be assumed at higher frequencies, at C-4- h where F is the ring area, p the air pressure, h the height of an individual compressed air cushion and x the ratio of the specific heats of air constant pressure and at constant temperature.
The adjustment of the resonance can also be carried out by means of another phase comparison device, e.g. B. be done by means of a wattmetric relay, which is known to produce a left or right deflection when there is a deviation from the 909 phase difference.