CS219451B1

CS219451B1 - Device for programmed fatigue tests on resonance testing machines

Info

Publication number: CS219451B1
Application number: CS752379A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Ruda; Frantisek Sejrek; Josef Chladek
Original assignee: Miroslav Ruda; Frantisek Sejrek; Josef Chladek
Priority date: 1979-11-05
Filing date: 1979-11-05
Publication date: 1983-03-25

Abstract

Zařízení pro programované únavové zkoušky na rezonančních zkušebních strojích obsahuje elektricky ovládaný zdroj budicí síly, například výkonový zesilovač a řídicí počítač, napojený přes měřicí zesilovač na snímač amplitudy kmitů zkoušené strojní součásti, který je připojen na vstup bloku řízení amplitudy. Na frekvenční vstup řídicího počítače (13) je napojen výstup tvarované (10) zesíleného signálu snímače (8) amplitudy kmitů. Jeden z výstupů řídicího počítače (13) je spojen se vstupem omezovacího spínače (14), který je dále napojen na vstup stykače (15), jehož výstup je napojen na výkonový zesilovač (5). Řídicí počítač (13) je zapojen na blok (12) řízení amplitudyThe device for programmed fatigue tests on resonant testing machines comprises an electrically controlled source of excitation force, for example a power amplifier and a control computer, connected via a measuring amplifier to the vibration amplitude sensor of the machine component under test, which is connected to the input of the amplitude control block. The output of the shaped (10) amplified signal of the vibration amplitude sensor (8) is connected to the frequency input of the control computer (13). One of the outputs of the control computer (13) is connected to the input of the limit switch (14), which is further connected to the input of the contactor (15), the output of which is connected to the power amplifier (5). The control computer (13) is connected to the amplitude control block (12)

Description

219451 3219451 3

Vynález se týká zařízení pro programova-né únavové zkoušky na rezonančních zku-šebních strojích, řízených počítačem v auto-oscilačním režimu.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for programmed fatigue testing on computer controlled resonance testing machines in auto-oscillation mode.

Strojní součásti jsou ve snaze o nejefek-tivnější využití v provozu vystaveny stálevětším a složitějším dynamickým namáhá-ním, přičemž provozní podmínky jsou takkomplikované, že pouhý pevnostní výpočetnedává dostatek podkladů pro vypracováníkonstrukce strojní součásti, optimální z hle-diska spolehlivosti, využití materiálu, eko-nomie výroby, atp. Proto jsou ve stadiu vý-zkumu předcházejícího zpracování kon-strukční dokumentace, nebo ve fázi ověřo-vání chování výrobku prováděny únavovézkoušky, při nichž jsou strojní součásti ne-bo jejich modely zatěžovány podle cyklu,který se co nejvíce přibližuje charakteruskutečného namáhání v provozu. Proměnnázatížení se u zkušebních strojů vyvozujírůznými způsoby, například hydraulicky,mechanicky, elektromagneticky, elektrody-namicky, magnetostrikčně, atp., přičemž jsouřízeny a regulovány ručně nebo automatickypodle požadovaného programu zatěžování.Machine components are subjected to an increasingly complex and dynamic dynamic effort in order to make the most efficient use in operation, while the operating conditions are so complicated that the mere strength calculation does not provide enough data for the design of the machine component, optimum reliability, material utilization, eco- production, etc. Therefore, fatigue tests are carried out at the stage of prior design documentation preparation, or in the product behavior verification phase, in which the machine parts or their models are loaded according to the cycle which is as close as possible to the actual in-service stress. The load variation of the test machines is in various ways, for example hydraulically, mechanically, electromagnetically, electrodimensionally, magnetostrictively, etc., adjusted and controlled manually or automatically according to the desired loading program.

Ruční řízení a regulace zkušebních stro-jů neumožňuje nastavení změn podle sku-tečného nebo předpokládaného průběhu zá-těže v časově proměnných hodnotách podleskutečného průběhu namáhání zkoušenéstrojní součásti nebo jejího modelu. Únavo-vé poškození a jeho vývojové stadium sepřitom posunuje z optického sledování kri-tických míst, případně z velikosti trvalérespektive celkové deformace součásti. Ana-lýza lomové plochy prováděná až po úpl-ném lomu součásti nemůže být přesná, ne-boť lomové plochy jsou v průběhu vývojetrhliny dynamických zatěžováním součástipoškozeny. K automatickému řízení a regulaci zku-šebních strojů pro dynamické zkoušky mate-riálu se používají počítače pracující s vlast-ním zkušebním zařízením ve spřazeném pro-vozu, což umožňuje simulaci skutečnéhozatěžovacího procesu definovaného přísluš-nými statistickými charakteristikami. Pro-gramové zatěžování se nejčastěji používá uhydraulických zkušebních strojů, kde setaké nejsnáze realizuje. Jejich frekvenčnírozsah je však při větším zdvihu pracovníchválců malý a je limitován kritickými rych-lostmi proudění pracovní kapaliny. Tytostroje mají velkou hmotnost, jsou výrobněnákladné a energeticky náročné.Manual control and testing of test machines does not allow for adjustments to be made according to the actual or anticipated course of the load in time-varying values of the under-pressure course of stress on the tested machine component or its model. The fatigue damage and its developmental stage shifts from the optical tracking of the critical points, or from the magnitude of the permanent reflection of the total deformation of the component. Fracture analysis performed only after complete fracture of the component cannot be accurate, since fracture surfaces are damaged during dynamic development by dynamic loading. For the automatic control and regulation of test machines for dynamic material testing, computers operating with their own test equipment in a coupled vehicle are used, which allows the simulation of the actual load process defined by the respective statistical characteristics. Program loading is most often used in hydraulic testing machines, where it is most easily realized. However, their frequency range is small with a larger stroke of the working rollers and is limited by the critical flow velocity of the working fluid. These machines have a heavy weight, are cost-effective and energy-intensive.

Mechanické rezonanční zkušební stroje spomocnými pracovními pružinami a záva-žími, která snižují zatěžovací frekvenci přiúnavové zkoušce do oblasti desítek až ma-ximálně několika Hz jsou z energetickéhohlediska sice výhodnější, ale jsou náročnéna přesnost výroby a tudíž nákladné. Po-psané druhy zkušebních strojů nejsou vhod-né pro únavové zkoušky strojních součástízatěžovaných v provozu dynamickými sila- 4 mi s vysokou frekvencí řádu stovek Hz ažněkolika Hz.Mechanical resonance testing machines with auxiliary working springs and weights, which reduce the load frequency of the tensile test to tens to at most a few Hz, are more advantageous from the energy perspective, but the precision of production and therefore costly are challenging. The types of test machines described are not suitable for the fatigue tests of machine parts loaded in service with dynamic forces of 4 mi with a high frequency of hundreds of Hz to several Hz.

Kromě frekvenčního omezení lze na těch-to strojích jen velmi obtížně modelovat roz-ložení napjatosti podél zkoušené součástitak, aby odpovídalo provozním podmínkámnapříklad při rezonančním kmitání pro tentodruh zkoušek jsou vhodné rezonanční zku-šební stroje, u kterých zkoušená součástkmitá v autooscilačním režimu s frekvencíodpovídající zvolenému základnímu tvarukmitu. Budicí síly mohou být vyvozeny elek-tromagneticky, elektrodynamicky, magneto-strikčně nebo i jinak. Tyto stroje jsou jed-noduché, vykazují malou spotřebu energiea rychlý průběh zkušek. Regulaci velikostipůsobících sil ve stanovených tolerancíchje však obtížná, s čímž souvisejí i potíže přirealizaci pragramovaných zkoušek s nesta-cionárním průběhem zatěžujících sil. Pou-žívané regulační systémy, například u elek-tromagneticky poháněných vibrátorů ve-směs využívající signálu ze snímače kmitůna zkoušené součásti ve zpětnovazebnísmyčce po úpravě a zesílení pro napájeníbudiče kmitů, jsou citlivé na rušivé vlivyna zkušebně a slouží pouze k udržení kon-stantní amlitudy namáhání, tj. při klasic-kých jednostupňových zkouškách. Řízení amplitudy se u známých mechanic-ko-elektrických vibračních zařízení tohototypu provádí zpravidla omezovačem signá-lu, zařazeným do zpětnovazební smyčky ob-vodu oscilátoru, vybaveným případně dru-hou zpětnovazební smyčkou s regulačnímobvodem, který řídí velikost omezení a sta-bilizuje tak kmity na požadované úrovni,(například podle čs. patentu 101 885.In addition to the frequency limitation, it is very difficult to model the distribution of stress along the component to be tested on these machines, so that resonance testing machines are suitable for resonance oscillations for this type of test, for which the tested components oscillate in auto-oscillation mode with a frequency corresponding to the selected base. tvarukmitu. Excitation forces can be exerted electromagnetically, electrodynamically, magneto-strikingly or otherwise. These machines are simple, show little energy consumption and a rapid test run. However, the regulation of the forces acting within the specified tolerances is difficult, and the difficulties in realizing the programmed tests with unstable load forces are also related. The control systems used, for example, in electromagnetically driven v-mix vibrators using the signal from the vibration sensor of the test component in the feedback loop after adjustment and amplification for the oscillator power supply, are susceptible to interfering with the test and serve only to maintain constant amlitude stress, ie, in classical one-stage tests. Amplitude control in known mechanically-co-vibrating devices of this type is usually carried out by a signal limiter incorporated into the oscillator feedback loop, optionally equipped with a second feedback loop with a control circuit that controls the size of the constraints and stabilizes the oscillations on the oscillator. the desired level (e.g., U.S. Pat.

Jiný způsob podle čs. patentu 137 979, vy-užívající tzv. nepřímé zpětné vazby, spočíváv podstatě v řízení výkonového zesilovačesignálem ze sekundárního oscilátoru ovlá-daného detektorem fázového posuvu budi-cích kmitů a vlastních kmitů mechanickésoustavy. Signál je upraven v dalším regu-lačním členu. Nevýhodou zařízení tohototypu s klasickými regulačními obvody jecitlivost na rušivé vlivy na zkušebnách, ze-jména na rychlé změny síťového napětí.Slouží pouze k udržení konstantní amplitudynamáhání, nebo při zkouškách na několikadiskrétních hladinách napětí. Některá tato známá zařízení jsou vybave-na obvody pro signalizaci nebo přerušenízkoušky při snížení zkušební frekvence. Ne-výhodou známých provedení, například mě-řičů frekvence se stavitelnými spínacímikontakty, je malá citlivost — s charakteri-stickou hodnotou 5 % pracovní frekvence,nebo při zvýšené cvitlivosti, jejich aktivacenahodilými změnami a rušivými signály.Změna vlastní frekvence o 5 % již odpovídástadiu šíření rozvinuté makrotrhliny a v řa-dě zkušebních aplikací je příliš hrubým kri-tériem stupně poškození.Another way according to MS. No. 137,979, utilizing indirect feedback, essentially consists of controlling the power amplifier with a signal from the secondary oscillator controlled by the phase shift detector of the excitation oscillations and the oscillations of the mechanical system. The signal is provided in another control member. The disadvantage of this type of device with classical control circuits is the sensitivity to interferences on test rooms, in particular to rapid changes in mains voltage. It only serves to maintain constant amplitude dynamics, or when tested at several discrete voltage levels. Some of these known devices are equipped with circuits for signaling or interrupting the test when the test frequency is reduced. Advantages of the known embodiments, for example frequency meters with adjustable switching contacts, are low sensitivity - with a characteristic value of 5% of the operating frequency, or with increased brightness, their activation and resilient changes and interfering signals. developed macrocracks, and in many test applications it is too rough a criterion for the degree of damage.

Uvedená známá zařízení nemohou rozlišit δ 219451 5 a hodnotit jednotlivé etapy únavového poru-šení a nehodí se z tohoto důvodu k realiza-ci náročných zkušebních programů, kdynapříklad po rychlé inciaci trhliny v prvníetapě zkoušky chceme v další etapě sledo-vat její růst v závislosti na spektru zatěžo-vání. Výše uvedené nedostatky odstraňuje za-řízení pro programování únavové zkouškyna rezonančních zkušebních strojích podlevynálezu, jehož podstata spočívá v tom, žena frekvenční vstup řídicího počítače je na-pojen výstup tvarovače zesíleného signálusnímače amplitudy kmitů, přičemž jeden zvýstupů řídicího počítače je spojen se vstu-pem omezovacího spínače, který je dále na-pojen na vstup stykače, jehož výstupu jenapojen na výkonový zesilovač, přičemž ří-dicí počítač je zapojen na blok řízení am-plitudy.The known devices cannot distinguish δ 219451 5 and evaluate the individual stages of fatigue failure and are therefore not suitable for the implementation of demanding test programs, where, for example, after a rapid crack initiation in the first stage of testing, we want to monitor its growth in dependence on loading spectrum. The above mentioned drawbacks are eliminated by the device for programming the fatigue testing of resonant testing machines according to the invention, the principle of which is that the frequency input of the control computer is connected to the output of the amplifier of the amplified vibration amplifier signal, wherein one of the outputs of the control computer is connected to the input of the limiter a switch which is further connected to the input of a contactor whose output is only connected to a power amplifier, wherein the control computer is connected to an am-plural control block.

Zařízení podle vynálezu umožňuje změnuprogramu, přerušení, případně ukončenízkoušky při změně (poklesuj vlastní frek-vence kmitů zkoušené součásti o nastavi-telnou diferenci, při současném splnění ji-ných definovaných podmínek, takže je pro-gramově eliminován vliv nahodilých změna rušivých signálů. Například zásahy vyvo-lá až opakovaně signalizovaný pokles vlast-ní frekvence v několika následujících časo-vých úsecích při automatické korekci vlivuzměn frekvence vyvolaných změnou úrovněnamáhání zkoušené součásti a tím i tlumeníkmitající soustavy. Příkladné provedení zařízení pro progra-mované únavové zkoušky na rezonančníchzkušebních strojích podle vynálezu je sche-maticky znázorněno na výkresu. Do ramene1 vibrátoru je vetknuta zkoušená součást 2,například lopatka turbokompresoru, rozkmi-távaná kotvou 3 elektromagnetu 4, napáje-ného výkonovým zesilovačem 5. Elektromag-net 4 má pomocné předmagnetizační vinutí6, napájené ze zdroje stejnosměrného prou-du 7. Na zkoušenou součást 2 je napojensnímač 8 amplitudy kmitů, jehož výstup jespojen se vstupem měřicího zesilovače 9.Výstup měřicího zesilovače 9 je spojen sevstupem tvarovače 10 signálu, se vstupemdetektoru 11 amplitudy namáhání a se vstu-pem bloku 12 řízení amplitudy, jehož výstupje napojen na výkonový zesilovač 5. Výstupytvarovače 10 signálu a detektoru 11 ampli-tudy namáhání jsou spojeny frekvenčním aanalogovým vstupem s řídicím počítačem 13,jehož jeden číslicový výstup je spojen sblokem 12 řízení amplitudy a druhý číslico-vý výstup je spojen s omezovacím spínačem 14, na který je dále napojen vstup stykače 15, jehož výstup je napojen na výkonovýzesilovač 5.The device according to the invention allows for a change of program, interruption or termination of the test at the change (decrease of the frequency of oscillations of the test component by an adjustable difference, while meeting other defined conditions, so that the effect of random change of interfering signals is eliminated for example). induces a repeatedly signaled decrease in the inherent frequency in the next few time periods when automatically correcting the frequency variation caused by a change in the level of loading of the test component and hence the attenuator system. A test component 2, for example a turbocompressor blade, tied by an armature 3 of an electromagnet 4, supplied by a power amplifier 5, is fixed to the vibrator arm 1. power pre-magnetizing winding 6, fed from a direct current source 7. An amplitude amplifier 8 is connected to the tested component 2, the output of which is connected to the input of the measuring amplifier 9. The output of the measuring amplifier 9 is connected to the signal former 10 with the input of the stress amplifier 11 and a the input of amplitude control block 12, the output of which is connected to a power amplifier 5. Outputs of the signal former 10 and the amplitude detector 11 are connected by frequency and analog input to a control computer 13, one digital output of which is connected to the amplitude control block 12 and the second digit to The output is connected to a limit switch 14, to which the input of the contactor 15 is connected, the output of which is connected to a power amplifier 5.

Funkce zařízení podle vynálezu je násle-dující: Po zavedení programu, zabezpečují-cího řízení zatěžovacího programu, do pa-měti řídicího počítače 13 a jeho spuštění,se uvede přes blok 12 řízení amplitudy a přes výkonový zesilovač 5 v činnost elek-tromagnet 4 s kotvou 3, který rozkmitá ra-meno 1 vibrátoru s vetknutou zkoušenousoučástí 2. Při tom pomocné předmagetizač-ní vinutí 6 na elektromagnetu 4 zabraňujezdvojnásobení frekvence budicí síly vyvo-zené elektromagnetem 4 vůči frekvenci na-pájecího signálu.The function of the device according to the invention is as follows: After the loading program control program has been loaded into the memory of the control computer 13 and started, the electromagnet 4 s is operated via the amplitude control block 12 and the power amplifier 5. In this case, the auxiliary pre-magnitude winding 6 on the electromagnet 4 avoids doubling the frequency of the excitation force generated by the electromagnet 4 relative to the frequency of the solder signal.

Amplitudu kmitání volného konce zkou-šené součásti snímá snímač 8, jehož signálje zesílen v měřicím zesilovači 9 a je při-váděn zároveň do tvarovače 10 signálu, dodetektoru 11 amplitudy namáhání a do bloku 12 řízení amplitudy, kde se signály upravía přivedou do řídicího počítače 13. Z řídi-cího počítače 13 je přiváděn signál do blo-ku 12 řízení amplitudy a dále do výkono-vého zesilovače 5, který napájí vinutí elek-tromagnetu 4. Dalším výstupem jde z řídi-cího počítače do omezovacího spínače 14,spojené se stykačem 15. V tvarovači 10 sig-nálu se vstupní sinusový signál z měřicíhozesilovače 9 vytvaruje do pravoúhlého prů-běhu požadované úrovně napětí. Přivádí sefrekvenčním vstupem do řídicího počítače 13 a slouží k měření frekvence kmitánízkoušené součásti 2.The oscillation amplitude of the free end of the test component is sensed by a sensor 8, the signal of which is amplified in the measuring amplifier 9 and fed simultaneously to the signal former 10, the amplitude amplifier 11 and the amplitude control block 12 where the signals are fed to the control computer 13 From the control computer 13, a signal is supplied to the amplitude control block 12 and further to a power amplifier 5 that supplies the electromagnet winding 4. Another output goes from the control computer to the limit switch 14 connected to the contactor. 15. In the signal former 10, the input sinusoidal signal from the measuring amplifier 9 is formed into a rectangular passage of the desired voltage level. It feeds the control computer 13 through the frequency inlet and serves to measure the oscillation frequency of the tested component 2.

Sled signálů z tvarovače 10 se v řídicímpočítači 13 kontinuálně vyhodnocuje. Přisignifikantní změně (poklesu) frekvence sev závislosti na druhu zkušebního programubuď změní zatěžovací spetkrum pomocí ří-zení bloku řízení amplitudy 12, nebo sečíslicovým výstupem řídicího počítače 13přivede signál do omezovacího spínače 14,ovládajícího stykač 15, který vypne celézkušební zařízení z provozu. Detektor 11amplitudy namáhání transformuje sinusovýsignál z měřicího zesilovače 9 na stejno-směrné napětí, úměrné špičkové velikostisignálu, jehož velikost charakterizuje úro-veň zatížení zkoušené součásti, a které jepřiváděno na analogový vstup řídicího po-čítače 13. V počítači je velikost signálu po-rovnána se žádanou hodnotou podle pro-gramu a impulsním regulačním obvodem,realizovaným programovým vybavením po-čítače, je určována potřebná hodnota akčníveličiny. Ta je číslicovým výstupem počíta-če 13 přiváděna do bloku 12 řízení ampli-tudy, kde je podle její velikosti řízena úro-veň výstupního signálu, vedeného do výko-nového: zesilovače 5. Zároveň je fázovacímobvodem nastavován optimální fázový po-suv mezi signálem přicházejícím ze sníma-če 8 amplitudy kmitu přes měřicí zesilovač9 a signálem výstupním, vedeným z bloku12 řízení amplitudy do výkonového zesilo-vače 5.The sequence of signals from the former 10 is continuously evaluated in the control computer 13. A significant change (decrease) in frequency, depending on the type of test program, will result in a load spet- cre changing the control of the amplitude control block 12, or the digital output of the control computer 13 to a signal limiter switch 14 controlling the contactor 15, which shuts down the entire test device. The stress amplitude detector 11 transforms the sinusoidal signal from the measuring amplifier 9 into a DC voltage proportional to the peak signal size, the magnitude of which characterizes the test component load, which is applied to the analog input of the control computer 13. In the computer, the signal size is equal to The required value of the actuator is determined by the program setpoint and by the pulse control circuit implemented by the computer software. The digital output of the computer 13 is supplied to the amplitude control block 12 where the level of the output signal fed to the power amplifier 5 is controlled according to its size. from the amplitude transducer 8 through the measuring amplifier 9 and the output signal from the amplitude control block 12 to the power amplifier 5.

Zařízení podle vynálezu umožňuje prová-dění únavových zkoušek strojních součástí,v rezonančním režimu, při nichž frekvencea fázový posuv budicí síly, vyvozující zatíže-ní zkoušené součásti jsou optimální a jejíamplituda je řízena podle požadovaného ča-The device according to the invention makes it possible to carry out the fatigue tests of the machine parts, in resonance mode, in which the frequency and phase shift of the exciting force, which imposes the load on the tested component, is optimal and its amplitude is controlled according to the desired time.

Claims

8 for testing machine parts where resonance oscillations occur. 219451 of the load program of the tested machine component. The device according to the invention is suitable in particular for a device for programmed fatigue tests on resonant testing machines, comprising an electronically controlled source, for example a power amplifier and a control computer, connected via a measuring amplifier to a vibration amplifier of the tested machine component, which is connected to the input of the control unit amplitude, characterized in that only the output of the amplifier (10) of the amplified vibration amplifier signal (8) is present for the frequency input of the control computer (13), one of the outputs of the control computer (13) being connected to the input of the limit switch (14), which is further connected to a contactor input (15), the output of which is connected to a power amplifier (5), the control computer (13) being connected to the amplitude control block (12). 1 sheet of drawings