Ventilgesteuerte Werkstoff-Prüfmaschine mit doppelt wirkendem und geschlossenem Druckmilteiki'eislauf
Hydraulische Werkstoff-Prüfmaschinen, die durch Ventile gesteuert werden, sind bekannt. Sie werden meist mit einfach wirkendem Zylinder ausgerüstet.
Die Belastung der Probe erfolgt durch eine hinsichtlich ihrer Leistung regelbare Druckmittelpumpe in Verbindung mit Drosselventilen und anderen Teilen.
Bei doppelt wirkenden Maschinen werden die beiden Zylinderräume im allgemeinen getrennt mit Druckmittel gespeist, das aus einem Vorratsbehälter entnommen wird.
Ferner ist eine doppelt wirkende, dynamische Prüfmaschine bekannt, bei der durch eine Wendepumpe Druckmittel in geschlossenem Kreislauf von einem Zylinderraum in den anderen gepumpt wird.
Dabei ist die Wendepumpe so ausgelegt, dass sie auch durch das sich entspannende Druckmittel angetrieben werden kann.
Die Verwendung einer Wendepumpe eignet sich jedoch nur für Prüfmaschinen unterhalb einer gewissen Leistung, da durch das Schwungmoment des Motorankers und der Pumpendrehteile nur bei diesen, da bei ihnen dieses Schwungmoment sehr klein gehalten werden kann, eine kleine Umsteuerzeit erzielt werden kann. Bei Maschinen mit grösserer Leistung wächst das Schwungmoment, und es ist daher eine kleine Umsteuerzeit nicht mehr möglich, so dass die bekannte Anordnung für Prüfmaschinen mit grösserer Leistung nicht mehr anwendbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine doppelt wirkende, dynamische Prüfmaschine mit hydraulischem Antrieb zu schaffen, die sich auch für grössere Leistungen ohne weiteres eignet. Diese Aufgabe wird' gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass eine in einer Richtung umlaufende Druckmittelpumpe über kurze Leitungen mit einer in Abhängigkeit von der erzeugten Prüfkraft gesteuerten und die Verbindung der beid'en Zylinderkammern mit der Ansaug- und Abflussleitung der Pumpe umkehrenden Ventilanlage verbunden ist. Durch diese erfindungsgemässe Ausbildung einer Prüfmaschine wird erreicht, dass der Kraftabfall nur von der Drehzahl der Druckmittelpumpe abhängig ist und beim Umsteuern der Anlage praktisch kein plötzlicher Kraftabfall auftritt.
Zur Erläuterung der Erfindung werden Ausfüh rungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 und 2 stellen schematisch den Aufbau von zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Prüfmaschine d'ar.
Fig. 3 und 4 zeigen ebenfalls schematisch je eine andere Ausführungsvariante.
Fig. 5 bis 8 sind Druck-ZeitDiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Prüfmaschine.
Fig. 1 zeigt den Aufbau des ersten Beispieles einer erfindungsgemässen Prüfmaschine. Die Probe 13 ist mit ihrem einen Ende an der Kraftmesseinrichtung 14 und mit ihrem anderen Ende am Belastungssystem der Maschine angeschlossen, das aus dem doppelt wirkenden Kolben 1 im Zylinder 4 besteht. Die beiden Zylinderräume 2 und 3 der Einheit 1, 4 sind über die Rohrleitungen 5 und' 6, das Ventil 7 und die beiden kurzen Leitungen 8 und 9 an eine in Pfeilrichtung umlaufende Pumpe 10 angeschlossen, die vom Motor 19 angetrieben wird. Das Ventil 7 wird beispielsweise Durch die Magnetspulsysteme 11 und 12 gesteuert. Wenn das System 11 erregt wird, verbindet das Ventil 7 die Leitungen 5 und 8 sowie 6 und 9 miteinander.
Kommt das System 12 zur Wirkung, so werden entsprechend die Leitungen 5 und 9 sowie 6 und 8 miteinander in Verbindung gebracht.
Die Regelung bzw. Steuerung der Magnetsysteme erfolgt durch die am Prüfkörper 13 wirkende Kraft.
Die vom Belastungssystem 1, 4 auf den Körper 13 ausgeübte Kraft lässt sich bekanntlich am Dynamometer 14, zum Beispiel ind'uktiv, mit Dehnungsmessstreifen optisch oder auf andere Weise messen. Das Ergebnis wird in einem Messverstärker 15 in eine der Kraft proportionale elektrische Grösse umgewandelt, die in der Vergleichseinheit 17 mit einem Sollwert aus einem der Sollwertgeber 1 6a oder 1 6b verglichen wird. Von der Vergleichseinheit 17 wird die Regelabweichung dem Regelverstärker 18 zugeführt und nach entsprechender Verstärkung oder Umformung an das Magnetsystem 11 oder 12 weitergeleitet.
Die Steuerung der Magnetspulen der Systeme 11, 12 könnte auch, wie dem Fachmann bekannt ist, mit Hilfe eines Kontaktdynamometers od'er von der Verformung des Prüfkörpers, einer zusätzlichen Feder oder dergleichen, zweckmässigerweise über elektrische Kontakte oder auch mit hydraulischen Mitteln erfolgen.
Bei dynamischem Betrieb der Maschine wird durch die Pumpe 10, wenn zuletzt das Magnetsystem 11 betätigt worden war, das Druckmittel in den Zylinderraum 2 gepresst. Der Prüfkörper 13 erleidet demzufolge Zugbelastung. Vom Dynamometer 14 und Messverstärker 15 wird nunmehr eine der Zugkraft proportionale, elektrische Grösse erzeugt und mit der elektrischen Sollgrösse aus dem Geber 1 6a verglichen. Sobald die elektrische Grösse im Messverstärker 15 die elektrische Grösse im Sollwertgeber 16a erreicht oder übersteigt, wird über die Vergleichseinheit 17, den Regelverstärker 18 und das Magnetsystem 12 das Ventil 7 so gesteuert, dass es die Rohrleitungen 5, 6, 8 und 9 über Kreuz verbin det Als Folge davon fördert die Pumpe 10 das Druckmittel in den Zylinderraum 3. Nachdem der Körper 13 vom Zug entlastet ist, wird er auf Druck belastet.
Das hierzu notwendige Druckmittel wird aus dem Zylinderraum 2 entnommen. Der gesamte Vorgang läuft jetzt also in entgegengesetzter Bewegungsrichtung ab. Die der aufgebrachten Druckkraft proportionale elektrische Grösse wird mit der elektrischen Sollgrösse des Gebers 1 6b verglichen, wodurch zu gegebener Zeit das Ventil 7 durch das Magnetsystem 11 so umgesteuert wird, dass das Druckmittel aus dem Zylinderraum 3 in den Zylinderraum 2 gelangt.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Maschine liegt darin, dass das Druckmittel in dem zu entlastenden Zylinder sich nicht mehr plötzlich entspannt, wie in den bekannten Maschinen, bei denen das Druckmiftel vom Ventil in einen Druck losen Vorratsbehälter zurückgeführt wird'. Nunmehr muss das Druckmittel auf die Ansaugseite der Pumpe wirken, wodurch der Druck nur in dem Mass abgebaut wird, wie die Pumpe das Mittel an den zweiten Zylinderraum abzugeben vermag.
Sofern man das Druckmittel über das Ventil 7 und die Rücklaufleitung 9 einem Vorratsbehälter zuführt, ergibt sich bei Wechselbelastung der in Fig. 5 dargestellte Kraftverlauf. Der Lastanstieg A würde in einer bestimmten Zeit durch die Pumpe erfolgen.
Der Lastabfall B tritt plötzlich beim Umsteuern des Ventils ein, weil Druckmittel und Probe sich sofort entspannen. Die anschliessende Pröfkörperbelastung in entgegengesetzter Richtung durch die Pumpe 10 erfolgt gemäss Kurve C und die neuerliche Entlastung entsprechend Kurve D, sobald das Ventil wieder umgesteuert wird.
Es besteht sogar die Möglichkeit für einen Belastungsverlauf nach Fig. 6, wenn ein federnder Körper zur Prüfung in die Maschine eingesetzt ist. Dieser Belastungsverlauf wird dadurch hervorgerufen, dass nach dem Öffnen des Ventils zunächst der Druck plötzlich abfällt (Kurve G) und anschliessend der Kolben vom federnden Prüfkörper in die Mittellage zurückgezogen wird (Kurve H). Hierdurch entsteht auf der Kolbenseite, an die gerade das Druckmittel gefördert wird, ein Unterdruck, der zu Kavitation und leicht zur Zerstörung der Anlage führen kann.
Bei der erfindungsgemässen Maschinenanlage vermag sich die Probe nicht schneller zu entlasten als das Druckmittel, nämlich nur entsprechend der Fördermenge, die von der Pumpe 10 abgeführt werden kann. Es entsteht der gewünschte Belastungsverlauf entsprechend Fig. 7. Die Leitungen 8 und 9 sind möglichst kurz zu halten, da sie beim Umsteuern des Ventils mit dem jeweils umgekehrten Druckpotential des Zylinders verbunden werden.
Während eines Lastspiels in der erfindungsge- mässen Maschine wird nach Entlastung des Körpers 13 bis zu dem Punkt a in den beiden Zylinderräumen der gleiche Druck herrschen. Dieser Druck beträgt etwa die Hälfte der Drücke, die bei den Lastspitzen b und c auftreten. Es ist daher keinerlei Stoss beim Übergang der Belastung, z. B. vom Bereich N in den Bereich O, zu befürchten, wenn nur der Prüfkörper 13 fest in der Maschine eingespannt wurde.
Bei der erfindungsgemässen Maschinen anlage wird die im Prüfkörper gespeicherte Energie sowohl der Pumpe 7 wie dem Motor 19 wieder zugeführt, wie es auch schon bei bekannten Anlagen der Fall ist.
Hierdurch werden der Leistungsbedarf der Prüfmaschine und die Druckmittelerwärmung wesentlich verringert. Die zurückgewonnene potentielle Energie kann in geeigneter, dem Fachmann bekannter Weise als kinetische Energie gespeichert werden.
Um in der Maschinen anlage auftretende Leckverluste auszugleichen, kann in die Leitung 5 und 6 über die Rückschlagventile 20a und 20b und die Pumpe 21 Druckmittel zugeführt werden, vorzugsweise automatisch, sobald der Druck zu irgendeinem Zeitpunkt kleiner ist als der in der Leitung 22 durch das Überdruckventil 23 eingestellte Druck.
Falls der Mindestdruck in der Anlage dem Atmosphärendruck entsprechen kann, so können die Pumpe 21 und das Überdruckventil 23 entfallen.
Wenn Prüfungen sehr starrer Körper durchgeführt werden sollen, ist die von einer zur anderen Kolbenseite zu fördernde Druckmittelmenge sehr gering. Sie entspricht dann z. B. etwa der Kompressibilität des Mediums bei dem Druck, der der jeweiligen Prüfkraft proportional ist. Die Steuerung derartig kleiner Druckmittelmengen ist oft mit Schwierigkeiten verbunden. Es wird daher erfindungsgemäss vorgeschlagen, entsprechend Fig. 3 an den Leitungen 5 und 6 Druckspeicher 27 und 28 vorzusehen. Durch diese Massnahme muss ausser der Druckmittelmenge, die der Kompressibilität des Mittels entspricht, noch eine gewisse Druckmittelmenge aus einem Druckspeicher in den anderen gefördert werden.
Die Druckspeicher werden zweckmässig abschaltbar angeordnet, damit sie bei weichen Proben, bei denen sie die Prüfgeschwindigkeit verringern würden, ausser Betrieb genommen werden können.
In Fig. 4 ist eine Anlage gezeigt, bei der keine durchgehende Kolbenstange am Kolben 1 verwendet wird. Bei einer derartigen ! Anlage muss bei der Be- wegung des Kolbens z. B. nach rechts, mehr Druckmittel aus dem Zylinderraum 3 abgesaugt werden, als der Zylinderraum 2 aufnehmen kann. Es wird daher ein Druckmittelspeicher 29 vorgesehen, der zur Aufnahme des überschüssigen Druckmittels dient.
Derartige Zylinder sind besonders bei Prüfmaschinenanlagen mit Einzelzylindern zweckmässig.
Die erfindungsgemässe Maschinenanlage ist auch für statische Versuche zu verwenden, wobei kontinuierlich vom Druckbereich in den Zugbereich und umgekehrt übergewechselt wird. Dies kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass man die beiden Sollwertgeber 1 6a und 1 6b auf eine möglichst kleine Differenz einstellt und beide Sollwertgeber entsprechend dem gewünschten statischen Belastungsverlauf verstellt. Ein derartiger Belastungsverlauf ist in Fig. 8 wiedergegeben. Der gewünschte Belastungsverlauf ist durch die strichpunktierte Linie d dargestellt. Mit den beiden Soliwertgebern 16a und 16b wird der Sollwert über dér Zeit entsprechend den gestrichelten Linien e und f, z. B. mittels eines Motors, verstellt.
Beim Betrieb der Maschinenanlage wird nun die Kraft zwischen den beiden eingestellten Grenzwerten der Sollwertgeber hin und her geregelt.
Es tritt also im Prüfkörper ein Kraftverlauf ent sprechend ; der Linie g auf. Es ist leicht zu ersehen, dass, wenn man die Sollwerte der beiden Geber 1 6a und 16b sehr nahe beieinander einstellt und die Umschaltfrequenz entsprechend hoch ist, der tatsächliche Belastungsverlauf praktisch mit dem gewünschten statischen Belastungsverlauf d übereinstimmt.
An Stelle der beiden Sollwertgeber 1 6a und 1 6b kann gemäss Fig. 2 bei statischer oder quasi-statischer Belastung auch ein einzelner Sollwertgeber 16 verwendet werden, wenn man den Regelverstärker 18 so auslegt, dass er bei einer bestimmten Abweichung des gemessenen Prüf-Istwertes vom Sollwert in der einen Richtung das Magnetsystem 11 und bei Abweichung in der anderen Richtung das Magnetsystem 12 erregt.
Es ist also ohne weiteres möglich, die Kraft in beliebiger Form zu steuern und z. B. eine sinusförmige Belastung oder einen sogenannten Random- Lo ad -Versuch diurchzuführen.
Eine weitere Möglichkeit zu statischer oder quasistatischen Versuchen ist durch die Verwendung eines Ventils gegeben, dessen Durchlassmenge proportional an an das Magnetsystem 11 bzw. 12 angelegten Spannungen ist (an Stelle des Ventils, 7 mit zwei Endlagen). Bei solcher Ausrüstung wird ein Wert, der proportional der Regelabweichung ist, an das Magnetsystem 11 bzw. 12 angelegt. Diese Einrichtung kann schliesslich auch als PID-Regeleinrichtung oder dergleichen ausgeführt werden, d. h. dass den Magnetsystemen neben dem Proportionalanteil P noch ein Integralanteil I und ! ein Differentialanteil D zugeführt wird. Ventile mit einer Schalthäufigkeit von einigen hundert Hertz und mit einer der Spannung proportionalen Durchlassmenge sind bekannt.
Falls ein Ventil mit einer der Spannung proportionalen Fördermenge oder ein Schaltventil mit Mittellage verwendet werden soll, so ist gemäss Fig. 2 zum Ausgleich von Leckverlusten Druckmittel durch eine Pumpe 21 über das Rückschlagventil 25 in die Leitung 9 zu speisen. Ausserdem erhält die Leitung 8 ein Überdruckventil 26, das auf höheren als den maximalen Betriebsdruck eingestellt ist.
Diese Massnahmen sind erforderlich, damit die Pumpe, falls das Ventil alle Leitungen geschlossen hält, nicht ohne Druckmittel läuft und dadurch zerstört würde. Die Abflussleitung des tYberdruckventils 26 führt zweckmässigerweise in die Leitung 9, da die Pumpe 21 normalerweise klein ausgeführt werden kann und1 nicht in der Lage ist, so viel Druckmittel nachzufördern, wie von der Pumpe 10 durch das Überdruckventil 26 abgeblasen wird, wenn das Ventil 7 sich in Mittelstellung befindet, also geschlossen ist.
Bei statischen Maschinen ist der gewünschte Bereich der einzustellenden Belastungsgeschwindigkeiten oft sehr gross. Für diese Maschinen müssen die Steuerventile für die grössten Belastungsgeschwindigkeiten entsprechend der grössten Fördermenge der Pumpe ausgelegt werden. Bei kleinen Belastungsgeschwindigkeiten treten daher durch die Grenzschichtbildung des Druckmittels in den Ventilen oft erhebliche Schwierigkeiten auf. Es wird deshalb vorgeschlagen, bei den proportional der angelegten Spannung öffnenden Ventilen dbn steuernden Magnetsystemen eine die Steuerspannung überlagernde Wechsel-odier Impulsspannung zuzuführen, die eine gewisse Oszillation des Ventilkolbens bewirkt.
Dadurch wird erreicht, dass die Ventilöffnung kurzzeitig grösser ist als die Grenzschicht des Druckmittels im Ventil.
Die beschriebenen Anlagen lassen sich mit jedem Druckmittel, Öl aber auch Luft usw., betreiben Ebenso kann in Verbindung mit anderen bekannten Belastungseinrichtungen, z. B. Resonanzsystemen, Pulsatoren usw., der Anwendungsbereich der Anlage erweitert werden, um z. B. Betriebsfestigkeitsversuch oder dergleichen wirtschaftlich durchführen zu können.