DE102005009095A1

DE102005009095A1 - Device for generation of three-dimensional oscillations in rigid vibration table has six unbalanced shafts whereby each of two counter rotating unbalanced shafts of oriented exciter represents one coordinate axis

Info

Publication number: DE102005009095A1
Application number: DE200510009095
Authority: DE
Inventors: Jörg-Henry Dr.-Ing. Schwabe; Jürgen Dipl.-Ing. Martin; Lars Leibiger
Original assignee: Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
Current assignee: Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-08-31

Abstract

Device has six unbalanced shafts which are synchronized with each other through a spatial arrangement. Each of the two counter rotating unbalanced shafts of the oriented exciter represents one coordinate axis. The synchronization of the counter rotating shafts is achieved by pairwise controlling of the servo actuator.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung harmonischer Schwingungen in drei im Raum zueinander orthogonal stehenden Richtungen mit unterschiedlichen Frequenzen und Beschleunigungen und deren definierte Einleitung in einen Prüfling oder Objekt zur Simulation von mechanischen Belastungen. Die in den drei Koordinatenrichtungen wirkenden Schwingungen sind unabhängig voneinander in Frequenz, Beschleunigungsamplitude und Phasenlage einstellbar.The The invention relates to a device for generating harmonic Vibrations in three mutually orthogonal directions in space with different frequencies and accelerations and their defined introduction to a test object or object for simulation of mechanical loads. The in the three coordinate directions acting vibrations are independent of each other in frequency, Acceleration amplitude and phase position adjustable.

Als Stand der Technik ist die Nutzung harmonischer mechanischer Schwingungen in Einrichtungen zum Fördern, zum Klassieren von Schüttgütern oder zur Formgebung und Verdichtung des Bodens oder von Gemengen -beispielsweise von Betongemengen-, allgemein bekannt. Die Erzeugung mechanischer Schwingungen zur labortechnischen Überprüfung kompletter technischer Ausrüstungen hat in den letzten Jahrzehnten ebenso an Bedeutung gewonnen.When The state of the art is the use of harmonic mechanical vibrations in facilities for conveying, for classifying bulk materials or for shaping and compaction of the soil or of mixtures, for example of concrete quantities, commonly known. The production of mechanical Vibrations for laboratory testing of complete technical equipment has gained in importance in recent decades as well.

In der nachfolgend beschriebenen Lösung geht es vorzugsweise um die dynamische Belastungsprüfung von komplexen Baugruppen auf ihre Beständigkeit gegen dynamische Belastungen. Es handelt sich deshalb um einen sogenannten 3D-Vibrationstisch.In the solution described below goes It is preferably the dynamic load test of complex assemblies on their consistency against dynamic loads. It is therefore a so-called 3D vibration table.

Ein Hauptbestandteil derartiger Vibrationsanlagen sind die Vibrationserreger, die als kompakte Baueinheiten an entsprechende Formen montiert werden und diese im Arbeitsprozess zu Schwingungen anregen. Die Vibrationserreger arbeiten nach dem Prinzip der rotierenden Unwuchtmasse und der sich daraus ergebenden Fliehkraft. Setzt man diese paarweise ein erhält man eine lineare Schwingung. Das Prinzip bedeutet, zwei baugleiche Unwuchterreger sind parallel zueinander am System angeordnet und drehen sich synchron gegenläufig. Durch den synchronisierten Lauf heben sich die gegeneinander gerichteten Kräfte auf und die gleichgerichteten addieren sich zu einer resultierenden Kraft und erzeugen somit eine lineare Schwingung. Diese Erreger sind in der Regel nur für 1-dimensionale Erregung ausgelegt. Die dabei erzeugte Fliehkraft wird mit der Formel F_c = m_u·r_u·Ω² berechnet.A main component of such vibration systems are the vibration exciters, which are mounted as compact units to appropriate forms and stimulate them to vibrate in the work process. The vibration exciters work on the principle of rotating imbalance mass and the resulting centrifugal force. If you use these in pairs, you get a linear oscillation. The principle means that two identical unbalance exciters are arranged parallel to each other on the system and rotate synchronously in opposite directions. Due to the synchronized running, the opposing forces cancel each other out and the rectified ones add up to a resulting force and thus create a linear oscillation. These pathogens are usually designed only for 1-dimensional excitement. The centrifugal force generated in this case is calculated using the formula F _c = m _u * r _u * Ω ² .

Die oben beschriebenen Erreger werden über eine gemeinsame Welle, oder über Zahnräder synchronisiert, wobei diese Lösung mit einer erheblichen Lärmbelastung verbunden ist. Eine andere Variante ist die Kopplung der Erreger über eine sogenannte elektrische Welle.The pathogens described above are transmitted via a common wave, or over Gears synchronized, being this solution with a considerable noise pollution connected is. Another variant is the coupling of the pathogens over a so-called electric wave.

Bisher eingesetzte Hydropulsanlagen erfüllen diese Anforderungen zwar, nachteilig ist jedoch der erheblich höhere Anschaffungspreis und die Baugröße. Die Wirkung der dynamischen Kräfte solcher Anlagen ist auch in der Umgebung zu spüren, will man dies verhindern, ist eine Isolierung durch aufwändige Fundamentierung nötig.So far meet used Hydropulsanlagen Although these requirements, but disadvantageous is the significantly higher purchase price and the size. The Effect of dynamic forces such equipment is also felt in the environment, if you want to prevent this Is an insulation by consuming Foundation needed.

Eine interessante Lösung hinsichtlich der Erzeugung von Kräften in mehreren Koordinatenrichtungen stellt das Patent EP 0240425 dar. Innerhalb mechanisch vorgegebener Grenzen kann die Erregerkraft eines klassischen Unwuchterregers während des Betriebes im Raum verändert werden. Seine Grenzen hat diese Lösung darin, daß keine gerichtete Kraft erzeugt wird, sondern immer zwei durch die Rotation senkrecht zueinander stehende Kraftkomponenten.An interesting solution with regard to the generation of forces in several coordinate directions is the patent EP 0240425 Within mechanically prescribed limits, the excitation force of a conventional unbalance exciter can be changed during operation in the room. This solution has its limits in that no directed force is generated, but always two force components perpendicular to each other through the rotation.

Eine Anordnung zur Erzeugung gerichteter Schwingungen in zwei voneinander unabhängigen Koordinatenrichtungen wird in DE 3538229 A1 beschrieben. Ein Ausführungsbeispiel nutzt im Unterschied zu o. g. Lösungen das Doppelexzenterprinzip für die Schwingungserzeugung. Der Exzenter ist während des Betriebes verstellbar und gestattet die stufenlose Einstellung der Schwingungsamplitude. Der Schwingtisch wird durch ein Blattfedersystem gelagert. Die unabhängige Einstellung der Kraftrichtung und -amplitude erfolgt durch eine elektronische Ansteuerung von zwei Antrieben. Eine dreidimensionale Schwingungsanregung ist jedoch nicht möglich.An arrangement for generating directed vibrations in two independent coordinate directions is in DE 3538229 A1 described. An embodiment uses in contrast to the above solutions, the double eccentric principle for vibration generation. The eccentric is adjustable during operation and allows the stepless adjustment of the vibration amplitude. The swinging table is stored by a leaf spring system. The independent adjustment of the force direction and amplitude is carried out by an electronic control of two drives. However, a three-dimensional vibration excitation is not possible.

Eine Lösung für die Erzeugung räumlicher, voneinander unabhängiger Schwingungen, wobei sowohl Amplitude als auch Phasenlage in den drei Koordinaten einzeln während des Betriebes einstellbar sind, ist in EP 0338933 beschrieben. Die Erzeugung der räumlichen Anregung erfolgt durch eine elektronische Steuerung, die auf elektromagnetischem Weg eine schwere Masse definiert bewegt. Dieses Patent scheint die Lösung für die hier angestrebte dreidimensionale universelle Schwingungserregung zu sein. Eine energetische Betrachtung der Schwingungserzeugung zeigt jedoch die Grenzen dieser sonst sehr interessanten Lösung.A solution for the generation of spatial, mutually independent oscillations, wherein both amplitude and phase position in the three coordinates are individually adjustable during operation, is in EP 0338933 described. The generation of the spatial excitation is carried out by an electronic control that moves a heavy mass defined by electromagnetic means. This patent appears to be the solution to the three-dimensional universal vibration excitation sought here. An energetic consideration of vibration generation, however, shows the limits of this otherwise very interesting solution.

Mit der o. g. Lösung müßten diese sinusförmigen Erregerkräfte durch die Elektromagnete der Schwingungseinrichtung aufgebracht werden, indem sie die im Inneren der Einrichtung befindliche schwere Masse kontinuierlich um ihre Ruhelage hin- und herbewegen. Bei einer Erregerfrequenz von 30 Hz und einer angenommenen Masse des Innenkörpers von 100 kg müßte dieser mit einer Wegamplitude von ca. 17 mm schwingen, um eine Erregerkraft von 60 kN zu erzeugen. Unter Beachtung der einzuhaltenden Luftabstände zwischen Magnetspule und anzutreibender Masse und den Sättigungseffekten der magnetischen Flußdichte ist die elektrische Leistung zur Erzeugung der erforderlichen Erregerkraft bzw. das Eigengewicht der Schwingungseinrichtung um ein Vielfaches höher als die der Unwuchterreger.With the above solution, these sinusoidal exciter forces would have to be applied by the electromagnets of the vibrating device by continuously moving the heavy mass inside the device continuously back and forth around its rest position. With an excitation frequency of 30 Hz and an assumed mass of the inner body of 100 kg, this would have to oscillate with a path amplitude of about 17 mm to produce an excitation force of 60 kN. Taking into account the air gaps to be maintained between the magnet coil and the mass to be driven and the saturation effects of the magnetic flux density, the electrical power for generating the required excitation force or the weight of the vibrating device is many times higher than that of the unbalance exciter.

Das Beispiel zeigt, daß für die Erzeugung einer vergleichbaren Erregerkraft mit der o. g. Lösung wesentliche Nachteile sichtbar werden.The Example shows that for the generation a comparable excitation force with the o. g. Solution essential Disadvantages become visible.

Die sehr hohen Magnetkräfte bedingen entsprechend dimensionierte Elektromagnete mit den damit verbundenen Effekten wie

• großes Bauvolumen
• hohes Gewicht
• hoher Stromverbrauch.

The very high magnetic forces require appropriately dimensioned electromagnets with the associated effects such as

• large construction volume
• high weight
• high power consumption.

Die für eine kleine Amplitude möglichst hoch zu wählende Masse des beweglichen Innenkörpers hat ebenfalls eine entsprechend hohe Gesamtmasse des gesamten Systems und daraus resultierend ein sehr großes Fundament zur Folge.The for one small amplitude as possible high to be chosen Mass of the movable inner body has also a correspondingly high total mass of the entire system and as a result a very large foundation results.

Damit wird der Einsatzbereich der Lösung in EP 0338933 auf Schwingungsanregungen mit relativ kleinen Erregerkräften beschränkt.This will make the application of the solution in EP 0338933 limited to vibrational excitations with relatively small excitation forces.

Für die definierte Beschleunigung eines Prüflings in allen drei Achsen ist es jedoch wünschenswert, eine möglichst universelle Einrichtung zur Erzeugung sphärischer Vibrationen mit ausreichend großer Erregerkraftamplitude zu besitzen. Dabei ist der sphärischen Schwingungserregung, d. h. eine gesteuerte Schwingungsanregung in allen drei Koordinatenrichtungen besondere Bedeutung beizumessen.For the defined Acceleration of a test object however, in all three axes it is desirable to have one as possible universal device for generating spherical vibrations with sufficient greater Possess exciter force amplitude. It is the spherical one Vibration excitation, d. H. a controlled vibration excitation in attach particular importance to all three coordinate directions.

Alle vorangehend beschriebenen Lösungen erfüllen in ihrer Gesamtheit nicht die Anforderungen an ein solches universelles Schwingungserregersystem für die dreidimensional gerichtete Krafterregung mit für jede Koordinatenrichtung unabhängig voneinander einstellbarer Amplitude und Phasenlage während des Betriebes.All solutions described above meet in their totality does not meet the requirements for such a universal Vibration exciter system for the three-dimensionally directed force excitation with for each coordinate direction independently adjustable amplitude and phase angle during the Operation.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache, kostengünstige und platzsparende Einheit zur Erzeugung dreidimensionaler Schwingungen aufzuzeigen.Of the Invention is therefore based on the object, a simple, inexpensive and Space-saving unit for generating three-dimensional vibrations show.

Der Ausgangspunkt der Vorrichtung liegt in dem besonderen konstrukiven Aufbau der Schwingungserreger. Ausschlaggebend ist die Verwendung einer kombinierten Lagerung, bestehend aus zwei Zylinderrollenlagern für die radiale Belastung und einem Vierpunktlager für die axial auftretenden Belastungen. Dadurch können die Unwuchterreger für eine dreidimensionale Anwendung verwendet werden.Of the The starting point of the device is the special constructive Structure of the vibration exciter. The decisive factor is the use of a Combined bearing consisting of two cylindrical roller bearings for the radial Load and a four-point bearing for the axially occurring loads. Thereby can the unbalance exciters for a three-dimensional application can be used.

Die o. g. Unwuchterreger sind in vier senkrecht stehenden Wellen, die jeweils paarweise gegenläufig arbeiten angeordnet. Die Erregung in Z- Achse wird mit zwei waagerecht, gegenläufig arbeitenden Unwuchterregern erzeugt. Dadurch sind 6 Wellen paarweise angeordnet und nach dem Prinzip der elektrischen Welle synchronisiert. Die Kraft der Unwuchterreger ist durch Massebestückung einstellbar. Mit Hilfe von Servomotoren wird die Phasenlage der paarweise angeordneten Unwuchten zueinander sowie die einzelnen Koordinatenachsen X, Y und Z untereinander geregelt. Das Prinzip, die Phasenlagen der einzelnen Achsen zueinander zu steuern, ermöglicht die freie Gestaltung der räumlichen Schwingungen. Ein Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß einfache und preisgünstige Maschinenelemente verwendet werden können. Dadurch ist die beschriebene Lösung im Vergleich zu einen elektromagnetischen oder hydraulischen Lösung wesentlich wirtschaftlicher.The o. g. Unbalance exciters are in four vertical waves, the in pairs in opposite directions arranged work. The Z-axis excitement is two-level, opposite working imbalance generated. This makes 6 waves in pairs arranged and synchronized according to the principle of the electric wave. The force of the unbalance exciter is adjustable by Massebestückung. With help Servo motors, the phase position of the paired Imbalance between each other and the individual coordinate axes X, Y and Z regulated among themselves. The principle, the phase angles of the individual To control axes to each other, allows the free design the spatial Vibrations. An advantage of this invention is that simple and inexpensive Machine elements can be used. This is the described solution essential compared to an electromagnetic or hydraulic solution economically.

Die Anlage kann in einem Bereich entlang einer Kurve innerhalb eines Betriebsregimes fahren. Das bedeutet bei gleichbleibender Unwuchtbestückung aber mit unterschiedlicher Drehzahl können verschiedene Beschleunigungen erziehlt werden. Die einzelnen Achsen sind in der Lage jeweils ein anderes Betriebsregime zu fahren. Das bedeutet man kann verschiedene Erregerkraftverläufe im Raum fahren. 2 zeigt einen möglichen räumlichen Bewegungsablauf.The plant can travel in an area along a curve within an operating regime. This means with constant unbalance but with different speed different accelerations can be erziehlt. The individual axes are able to drive a different operating regime. This means you can drive different exciter force courses in the room. 2 shows a possible spatial movement.

Die schematische Darstellung in 1 zeigt die Anordnung der Unwuchterregerpaare im Raum. Vorteilhaft ist, wenn der Gesamtschwerpunkt des Systems, resultierend aus Vibrationstisch und zu erregendem Objekt, sich genau in der Wirkungslinie der Erregerkraft befindet.The schematic representation in 1 shows the arrangement of the unbalance exciter pairs in space. It is advantageous if the overall center of gravity of the system resulting from the vibration table and the object to be excited is located exactly in the line of action of the excitation force.

Die zweite Möglichkeit ist die sogenannte 12-Wellenanordnung, in 3 prinzipiell dargestellt. Diese Anordnung besteht aus 4 Wellen pro Koordinatenachse und besitzt den Vorteil des kraftfreien Hochfahrens der Vorrichtung und der Einstellbarkeit der resultierenden Erregerkraftfunktion im Betrieb. Die eigentlichen technischen Details sind vergleichbar mit denen der 6-Wellenanordnung.The second possibility is the so-called 12-wave arrangement, in 3 shown in principle. This arrangement consists of 4 waves per coordinate axis and has the advantage of power-free startup of the device and the adjustability of the resulting excitation force function in operation. The actual technical details are comparable to those of the 6-shaft arrangement.

11: Unwuchterregerpaar X-RichtungUnbalance exciter pair X-direction
22: Unwuchterregerpaar Y-RichtungUnbalance exciter pair Y-direction
33: Unwuchterregerpaar Z-RichtungUnbalance exciter pair Z-direction
44: Vibrationstischvibration table
55: Rahmenframe
66: Federelementespring elements

Claims

Device for generating dreidimensio nalen vibrations on a rigid vibrating table, characterized by the spatial arrangement of six synchronized unbalanced shafts, each two opposing imbalance waves represent the directed pathogens for a coordinate axis.

Device according to claim 1, characterized that the synchronization of the counterrotating waves over the pairwise control of servomotors is achieved.

Device according to claim 1, characterized that the storage of the waves for three-dimensional stress constructive with a radial bearing and designed an axially and radially claimable bearing combination is.

Device according to claim 1, characterized that the center of gravity, consisting of vibration table and the object to be excited, in the line of action of the exciter force located.

Device according to claim 1, characterized that the entire vibration table is deeply tuned by means of air suspension is stored.

Device for generating three-dimensional vibrations on a rigid vibrating table, characterized by the spatial Arrangement of 12 synchronized unbalanced shafts, wherein For each coordinate direction 4 waves the directional excitation for the respective Represent coordinate direction.