DE2522890C3

DE2522890C3 - Verfahren und hydraulische Prüfeinrichtung zur Durchführung von Resonanzprüfungen

Info

Publication number: DE2522890C3
Application number: DE2522890A
Authority: DE
Inventors: Josf Dipl.-Ing. 6105 Ober-Ramstadt Beran
Original assignee: Carl Schenck AG
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1975-05-23
Filing date: 1975-05-23
Publication date: 1985-08-29
Also published as: DE2522890B2; JPS51144286A; US4056974A; DE2522890A1; JPS5326149B2; GB1547872A; CH613778A5

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie für die Erregung des schwingungsfähigen Systems (6—11) in Resonanz durch Zu- und Abführen von Druckmittel auf das in der Belastungseinrichtung befindliche elastische Mittel aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckn>htelzu- und -abfuhr über servohydraulische Ventilmittel ve. genommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel zur Schwingungserregung bei hohem Zylinderdruck der Belastungseinrichtung zugeführt und bei niedrigerem Zylinderdruck abgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Schwingungserregung beaufschlagte Belastungseinrichtung gleichzeitig zur Erzeugung einer Vorlast verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinderkammern des Belastungszylinders (6) zur Erzeugung einer Vorlast ungleichmäßig beaufschlagt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Kammer des Belastungszylinders (6) hydraulisch beaufschlagt wird, während die zweite Kammer unter Atmosphärendruck steht.

8. Hydraulische Prüfeinrichtung mit einer mit Druckmittel betriebenen Belastungseinrichtung für den Prüfkörper und einer servohydraulischen Steuer- und Regeleinrichtung, wobei der Prüfkörper zusammen mit Teilen der Prüfeinrichtung ein schwingungsfähiges System bildet, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinrichtung zum Erzeugen von dynamischen Belastungen im Resonanzbetrieb und von statischen Belastungen gleicher Größenordnung nur einen Belastungszylinder (6) aufweist.

9. Hydraulische Prüfeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Belastungszylinder (6) gleichzeitig statische Vorlasten und dynamische Belastungen im Resonanzbetrieb aufbrinebar sind.

10. Hydraulische Prüfeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit (Federkonstante) des als Feder verwendeten Druckmittels veränderbar ist

11. Hydraulische Prüfeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittelvolumen ia der Belastungseinrichtung durch zuschaltbare, mit dem Belastuagszylinder (6) in Verbindung stehende Behälter (13) veränderbar ist

12. Hydraulische Prüfeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit (Federkonstante) des schwingenden Systems (6—11) durch zusätzliche Federn veränderbar ist

13. Hydraulische Prüfeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Einstellung des Kolbens (7) der Belastungseinrichtung in jede beliebige Ausgangsstellung innerhslb des Belastungszylinders (6) vorgesehen sind.

14. Hydraulische Prüfeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Servorventil (20) zur Steuerung des Belastungszylinders (6) so angesteuert wird, daß es um seine Mittellage versetzt schwingt

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Resonanzprüfungen bei der Untersuchung von Werkstoffen und Bauteilen, bei dem ein Prüfkörper mit Teilen einer Prüfeinrichtung ein schwingungsfähiges System bildet, das in Resonanz angeregt wird, wobei die Prüfeinrichtung eine mit Druckmittel betriebene Belastungseinrichtung und eine servohydraulische Steuer- und Regeleinrichtung aufweist, und eine hydraulische Prüfeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren zur Durchführung von Resonanzprüfungen bei der Untersuchung von Werkstoffen und Bauteilen werden für viele Prüfzwecke, besonders für Festigkeits- und Lebensdauerprüfungen verwendet. Man nutzt dabei die Tatsache aus, daß in einem schwingungsfähigen Feder-Masse-System, das in Resonanz angeregt wird, hohe Kräfte bei wechselnder oder schwingender Belastung unter geringem Energieaufwand erzeugt werden können. Diese Kräfte dienen zur Belastung des zu prüfenden Körpers. Der Prüfkörper stellt im schwingungsfähigen System im wesentlichen die Feder dar, die die bei Schwingungen entstehenden Kraft" aufnehmen muß. Die Masse wird z. B. vom Kolben einer hydraulischen Belastungseinrichtung, der Kolbenstiinge, der Aufgnahmevorrichtung für

so den Prüfkörper und evtl. mitschwingenden Zusatzmassen gebildet. Wenn ein solches Feder-Masse-System in Resonanz betrieben wird, muß lediglich die Verlustenergie aus der Probendämpfung und aus den anderen Reibungs- bzw. Dämpfungsverlusten im schwingenden System zugeführt werden, um die Schwingung aufrecht zu erhalten. Durch Änderung der zugeführten Energie, d. h. der Erregung des Systems, kann die Schwingungsamplitude und damit die auf den Prüfkörper wirkende Kraft gesteuert weiden. Die Resonanzfrequenz /ergibt sich in bekannter Weise aus der Federkonstante (Federrate) c und der schwingenden Masse m des Systems

und kann durch Änderung dieser Größen beeinflußbar werden.

In der DE-PS 22 13 736 ist ein Verfahren zur Durchführung von Resonanzprüfungen mit einer Werkstoffprüfmaschine beschrieben. Die Prüfmaschine besteht hier im wesentlichen aus einem Hauptzylinder (Mittelkraft- oder Vorlast-Zylinder) zur Erzeugung von statischen oder langsam veränderlichen Belastungen, einem mit dem Hauptzylinder verbundenen, jedoch kleineren Erreger-Zylinder (Wechsellastzylinder) zur Erzeugung von dynamischen Belastungen bei Resonanz, hydraulischen Servo-Ventilen zur Steuerung der Druckmittel-Versorgung der Zylinder sowie aus der dazugehörigen elektrischen Steuer- und Regeleinrichtung. Die Servo-Ventile erlauben eine sehr schnelle und exakte Steuerung der Druckmittelzu- und Abführung bzw. von den Belastungszylindern und damit eine entsprechend schnelle und genaue Steuerung bzw. Regelung der Belastung. Am Vorlast-Zylinder sind weiterhin Druckspeicher angeordnet, die als Ausgleichsbehälter für das Druckmittel dienen und die die bei der Schwingbewegung des Vorlast-Kolbens mitbewegten Druckmittelmengen aufnehmen bzw. abgeben können, wenn über den Voriastkolben bei Resonanzbetrieb eine zusätzliche Vorlast aufgebracht wird. Im allgemeinen können mit Prüfmaschinen dieser Art sowohl statische Belastungen oder veränderliche Belastungen mit beliebigem BeIastungsverlauf (Random-Prüfungen) als auch dynamische Belastungen im Resonanzbetrieb erzeugt werden.

Das schwingungsfähige System wird bei der beschriebenen Einrichtung gebildet durch den Prüfkörper, eine an der Kolbenstange des Hauptzylinders angebrachte Masse sowie durch die Kolben und die Kolbenstangen des Haupt- und des Erregerzylinders. Die Prüfmaschine selbst ist im wesentlichen als starr anzusehen. Zur Erzeugung der Schwingbelastung wird der doppelt wirkende Erregerzylinder über ein hydraulisches Servo-Ventil derartig niit Druckmittel versorgt, daß beide Zylinderkammern abwechselnd beaufschlagt werden. Bei jeder Hub-Bewegung erfährt also das schwingende System über den Kolben des Erregerzylinders eine Anregung b^w. Energie-Zufuhr. Die Richtung der über das Druckmittel ausgeübten erregenden Kraft und die Bewegungsrichtung des Kolbens sind dabei jeweils gleich. Durch die Erregung wird die einmal eingeleitete Schwingbewegung aufrecht erhalten. Die Belastung bzw. die Schwingamplitude kann an der Steuer- und « Regeleinrichtung eingestellt werden.

Wer.n der Erregerkolben sich an seinen oberen und unteren Umkehrpunkten befindet, herrscht in den Kammern des Erregerzylinders nur ein geringer Druck, da sich die Druckverhäiinisse in den Kammern nach jedem Hub umkehren. Der Speisedruck des für die Erregung ^geführten Druckmittels liegt jedoch sehr hoch. Daher ergeben sich bei der Druckmittelzuführung mehr oder minder starke Drosselverluste. Der Erregerzylinder zur Erzeugung der Schwingbelastung wird aus diesem Grunde möglichst klein ausgeführt, damit nur geringe Druckmittelmengen benötigt werden und hohe Prüffrequenzen erreichbar sind.

Die direkte Steuerung des Druckmittels im Vorlast-Zylinder bei Resonanzbetrieb würde wegen der großen m> Druckmittelmengen hohe Antriebsleistungen des hydraulischen Antriebs sowie große Ventil-Einheiten mit großen Durchflußquerschnitten erfordern und steuerungs- und regelungstechnische Nachteile mit sich bringen. Die für den Betrieb eines hydraulischen Zylinders notwendigen Druckmittelmengen ergeben sich überschlägig aus de: Schwingungs-Amplitude bzw. dem Kolbenweg und der Prüffrequenz.

Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist insbesondere die Notwendigkeit, einen besonderen Erregerzylinder bzw. zusätzlich zum Hauptzylinder einen weiteren Zylinder mit der erforderlichen hydraulischen und elektrischen Steuer- und Regeleinrichtung für die Erzeugung von dynamischen Belastungen, Umschalteinrichtungen für die verschiedenen Betriebsarten sowie abschaltbare Druckspeicher-Systeme vorzusehen. Die zusätzlichen Bauteile verteuern das Prüfverfahren und komplizieren den Gesamtaufbau und die Arbeitsweise der Prüfeinrichtung.

Das für hydraulische Prüfverfahren bzw. für den Betrieb von hydraulischen Prüfeinrichtungen verwendete Druckmittel wird meist, z. B. für Berechnungszwecke, als inkompressibel, d.h. als starr oder unelastisch angesehen, obowhl es tatsächlich elastisch ist. Im allgemeinen ist die Elastizität des Druckmittels im Prüfbetrieb störend und wirkt sich nachteilig besonders auch auf die Steuer- und Regeleinrichtung aus. Die Elastizität des Druckmittels wurde d'/'Aalb bisher kaum ausgenutzt Bekannt ist z. 5. der Versuch, das elastische Druckmittel als Gegenfeder für schwingende Massen zu verwenden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zur Durchführung von Resonanzprüfungen bei der Untersuchung von Werkstoffen und Bauteilen zu schaffen, bei dem für die Erregung in Resonanz kein besonderer Erregerzylinder erforderlich ist und daher die Erregung über einen vorhandenen Hauptzylinder aufgebracht werden kann, ohne daß sich der Arbeitsbereich gegenüber dem bekannten Verfahren wesentlich ändert, bei dem für die Erregung bei Resonanzbetrieb nur kleine Druckmittelmengen erforderlich sind, bei dem die möglichen Prüfkräfte bei Resonanzbetrieb und bei statischem Betrieb die gleiche Größenordnung haben und bei dem im Resonanzbetrieb eine Vorlast aufgebracht werden kann, ohne daß Druckspeicher erforderlich sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Druckmittel in der Belastungseinrchtung als elastisches Mittel (ölfeder) in das schwingungsfähige System einbezogen ist, daß die Steifigkeit (Federkonstante) des Druckmittiis auf die Steifigkeit (Federkonstante) des Prüfkörpers bzw. des gesamten schwingungsfähigen Systems der Prüfeinrichtung und auf dessen Massen abgestimmt ist und daß die in der hydraulischen Belastungseinrichtung bei Resonanzbetrieb auftretenden maximalen Drücke möglichst nahe an den zulässigen Speisedruck (Systemdruck) gelegt sind.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich eine besonder«: einfache, unkomplizierte und wirtschaftliche Prüfmö,?lichkeit für dynamische Prüfungen von Werkstoffen und Bauteilen bei Resonanzbetrieb. Der Energieverbrauch ist bei diesem Verfahren wegen der niedrigen Reibungs- und Dämpfungsverluste geringer als bei den bisher üblichen Verfahren. Der Wirkungsgrad ist damit entsprechend hoch bei praktisch unverändert breite .1 Arbeitsbereich.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Energie für die Erregung des schwingungsfähigen Systems in Resonanz durch Zu- und Abführen von Druckmittel auf das in der Belastungseinrichtung befindliche elastische Mittel aufgebracht, wobei zweckmäßigerweise die L'ruckrp.i.ttelzu- und -abfuhr fiber servohydraulische VentiliniUel vorgenommen wird. Wenn das Druckmittel bei hohem Zylinderdruck zugeführt und bei niedrigerem Zylinderdruck abgeführt

wird, ergibt sich eine besonders rationelle Ausnutzung der im zugeführten Druckmittel enthaltenen Energie, da Drosselverluste durch starken Druckabfall zwischen dem Speisedruck in der Druckmittelzuführung und dem Zylinderdruck weitgehend vermieden werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß die zur Schwingungserregung beaufschlagte Belastungseinrichtung gleichzeitig zur Erzeugung einer Vorlast verwendet werden kann, wobei die Zylinderkammern des Belastungszylinders ungleichmäßig beaufschlagt werden können und eine Zylinderkammer unter AtmospKärendruck stehen kann. Damit entfällt die Notwendigkeit der Anbringung von zusätzlichen Ausgleichsdruckspeichern. Wenn nur eine Kammer des Belastungszylinder) mit Druckmittel 1; beaufschlagt wird, ist es möglich, den F'rüfkörper nur auf Zug oder nur auf Druck zu belasten, wobei die

einstellharen Vnrlattpn h7w .^rhu/iiioiinucaiicwhläo«» - ■ _....-.... — .. —......-_o —--_σ-———--—_σ —

größer sind als bei doppelseitiger Beaufschlagung. Darüber hinaus kann bei einseitiger Beaufschlagung die Steifigkeit der ölfeder in einem sehr weiten Bereich verändert werden.

Eine hydraulische Prüfeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer mit Druckmittel betriebenen Belastungseinrichtung für den Prüfkörper und einer servohydraulischen Steuer- und Regeleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinrichtung zum Erzeugen von dynamischen Belastungen im Resonanzbetrieb und von statischen Belastungen gleicher Größenordnung nur einen BeIa- jo stungszylinder aufweist Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung gegenüber den bekannten Prüfeinrichtungen mit zwei Belastungszylindern, da der zusätzliche Erregerzylinder mit der gesamten hierfür erforderlichen elektrischen und hydraulischen Steuer- und Regeleinrichtung entfällt

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind mit dem Belastungszylinder der Prüfeinrichtung gleichzeitig statische Vorlasten und dynamische Belastungen im Resonanzbetrieb aufbringbar. Damit kann die Prüfeinrichtung mit einem Belastungszylinder weitgehend den Arbeitsbereich der bisherigen zweizylindrischen Prüfmaschinen erfassen. Weiterhin entfallen verschiedene Meß- und Regelprobleme, die sich aus der Verwendung von zwei Belastungszylindern ergeben, sowie die Speichersysteme, die bisher bei der Aufbringung von Vorlasten notwendig waren.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung wird darin gesehen, daß die Steifigkeit (Federkonstante) des Druckmittels veränderbar ist Dadurch kann die Prüfeinrichtung leicht an unterschiedliche Probensteifigkeiten angepaßt werden. Darüber hinaus kann damit auch die Prüffrequenz und die Schwingungsamplitude des schwingenden Systems beeinflußt werden.

Die Anpassung der Federkonstanten des Druckmitlets bzw. des schwingenden Systems an unterschiedliche Erfordernisse kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. durch zuschaltbare, mit dem Belastungszylinder in Verbindung stehende Behälter, durch beliebige zusätzliche Federn «> oder durch Änderung des Schwingungsmittelpunktes des Kolbens im Belastungszylinder. Durch die Änderung des Schwingungsmittelpunktes, d.h. durch die Änderung der Ausgangsstellung des Kolbens innerhalb des Beiastungszyiinders, läßt sich die Steifigkeit der ölfeder es auf besonders einfache Weise verändern.

Wenn mit dem Belastungszyünder der- Prüfeinrichtung gleichzeitig Vorlasten und dynamische Belastungen aufgebracht werden, ist es zweckmäßig, wenn das Servo-Ventil zur Steuerung des Belastungszylinders nicht um seine Mittellage, sondern aus der Mittellage versetzt arbeitet. Damit ist es möglich, mit einem Servo-Ventil gleichzeitig Vorlasten und dynamische Belastungen mit dem Belastungszyünder der Belastungseinrichtung zu erzeugen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen und der Diagramme näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung einer hydraulischen Prüfmaschine nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Belastungsdiagramm für Wechsellasten,

F i g. 3 einen beidseitig beaufschlagten hydraulischen Belastungszylinder für Resonanzprüfungen mit Belastungsdiagrammen,

Fig.4 einen einseitig beaufschlagten hydraulischen

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lin/4Ar mit DaU*ltin>

Die wesentlichen Baugruppen einer hydraulischen Prüfmaschine nach der Erfindung sind in F i g. 1 schematisch dargestellt Der Maschinenrahmen der Prüfmaschine wird gebildet von einem Grundrahmen 1 mit einem Säulenaufbau 2 und einer Quertraverse 3. Der Maschinenrahmen ist über elastische Glieder 4 gegenüber dem Fundament 5 abgestützt Am Grundrahmen 1 ist ein Belastungszylinder 6 (Prüfzylinder, Hauptzylinder) ange?2ut, in dem ein Belastungskolben 7 mit einer Kolbenstange 8 längsbeweglich geführt ist An der Kolbenstange 8 ist eine Zusatzmasse 9 angeordnet, die veränderbar sein odsr ganz entfallen kann. In zwei Einspannköpfen 10, die die Einspannvorrichtung bilden, ist ein Prüfkörper 11 aufgenommen, der als elastischer Körper dargestellt ist. Ein Einspannkopf ist mit der Kolbenstange 8, der andere mit einer Kraftmeßeinrichtung 12 verbunden. Die Kraftmeßeinrichtung ist an der Quertraverse 3 angebaut

Die einzelnen Baugruppen der Prüfmaschine können auch anders als in der Schemazeichnung dargestellt angeordnet werden. Der Belastungszylinder 6 kann z. 8. auch an der Quertraverse 3 und die Kraftmeßeinrichtung 12 am Grundrahmen 1 angebaut werden usw.

Der Prüfkörper 11 bildet zusammen mit den Einspannköpfen 10, der Zusatzmasse 9, der Kolbenstange 8, dem Kolben 7 sowie dem im Belastungszyünder 6 und in Druckmittelbehältern 13 befindlichen Druckmittel im wesentlichen das schwingungsfähige System. Gegebenenfalls sind außer dem Prüfkörper und dem Druckmittel auch noch andere Elastizitäten in der Prüfeinrichtung selbst zu berücksichtigen.

Mit den Zylinderkammern des Belastungszylinde., 6 können zuschaltbare Druckmittelbehälter 13 verbunden sein, mit deren Hilfe die Federkonstante des elastischen Mittels im Belastungszylinder 6 in weiten Grenzen veränderbar ist Das Volumen der Behälter kann stufenlos oder in Stufen veränderbar sein. Zur Veränderung der Federkonstante des Feder-Masse-Systems der Prüfmaschine können darüber hinaus beliebige zusätzliche Federn in nicht dargestellter Weise z. B. zwischen den Einspannköpfen 10, zwischen der Zusatzmasse 9 und dem Grundrahmen 1 oder zwischen dem Prüfling 11 und den Einspannköpfen 50 angebaut werden.

Der Belastungszylinder 6 wird Ober ein elektrisch gesteuertes Servo-Ventil 20 und eine hydraulische Antriebseinrichtung 21 mit Druckmittel versorgt Das Servo-Ventil 20 leitet das von einer Hochdruckpumpe 22 gelieferte Druckmittel über eine Leitung 23 in die Zylinderkammern des Belastungszylinders 6. Das aus

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den Zylinderkammcrn zurückfließende Druckmittel wird über das Servo-Ventil 20 und eine Leitung 24 in einen Druckmittel-Vorratsbehälter 25 geleitet.

Das Scrvo-Vcntil 20 ist mit einer Steuer- und Regeleinrichtung 30 über eine elektrische Verbindungsleitung 31 verbunden. In der Steuer- und Regeleinrichtung y, "jefinden sich im wesentlichen ein Meßverstärker 32, dir die von der Kraftmeßeinrichtung 12 über eine Verbindungsleitung 33 kommenden Signale verstärkt, ein Sollwert-Geber 34 und eine Regeleinrichtung 35. Der Meßverstärker 32 und der Sollwert-Geber 34 sind mit der Regeleinrichtung 35 verbunden, die das Servo-Ventil 20 nach den vom Sollwert-Geber vorgegebenen Werten steuert bzw. regelt. In Verbindung mit der Steuer- und Regeleinrichtung können über das Servo-Ventil statische, quasi-statische und dynamische Belastungen aufgebracht werden. Die Arbeitsfrequenz des Servo-Ventils kann dabei mehrere 100 Hz betragen.

Bei statischen oder quasi-statischen Prüfungen im sogenannten »Nachfahrbetrieb« wird die Belastung des Prüflings über die Steuer- und Regeleinrichtung 30 automatisch auf die durch den Sollwert-Geber 34 vorgegebenen Werte eingeregelt. Dazu werden die von der Kraftmeßeinrichtung 12 kommenden Istwerte für die Belastung fortlaufend mit den Sollwerten verglichen. Aus der Differenz zwischen 1st- und Sollwert werden in der Regeleinrichtung 35 Steuersignale für das Servoventil gebildet, mit denen die Belastungseinrichtung auf den Sollwert nachgeregelt wird.

Bei ier Einstellung der Prüfmaschine für Resonanzprüfungen wird zunächst die Federkonstante des zu prüfenden Werkstücks (Prüfkörper, Probe) festgestellt. Hieraus ergibt sich für eine gewünschte Belastung des Prüfkörpers der Federweg bzw. die Wegamplitude an der Belastungseinrichtung sowie der erforderliche Federweg und die Federkonstante des elastischen Druckmittels. Der bei maximaler Zusammendrückung im Druckmittel entstehende Druck soll möglichst nahe am zulässigen Speisedruck der Belastungseinrichtung liegen, das Druckmittel soll jedoch bei maximaler Entspannung nicht drucklos werden. Aus der Federkonstante des Prüfkörpers und des elastischen Druckmittels (sowie gegebenenfalls weiteren Elastizitäten im schwingenden System) und den schwingenden Massen kann in bekannter Weise die Resonanzfrequenz berechnet werden.

Die Steuer- und Regeleinrichtung 30 der Prüfmaschine wird nun so eingestellt, daß das Servo-Ventil 20 bei der berechneten Resonanz-Frequenz arbeitet, d. h. bei dieser Frequenz periodisch Druckmittel in den Belastungszylinder zuführt und aus dem Zylinder abführt Wenn die errechnete Frequenz nicht genau mit der wirklichen Resonanzfrequenz übereinstimmt, kann die Erregerfrequenz des Servo-Ventils durch Probieren so lange nachgesteuert werden, bis sich optimale Verhältnisse ergeben. Dieser Vorgang auch automatisiert werden.

Wenn das schwingungsfähige Feder-Masse-System durch das Servo-Ventil über die ölfeder in der Resonanz-Frequenz angestoßen wird, beginnt das System zu schwingen. Der Schwingungsausschlag kann durch die Stärke der Erregung in den oben angegebenen Grenzen (maximaler Druck nicht größer als Speisedruck, minimaler Druck größer als Null) eingestellt werden, indem das Servo-Ventil entsprechend geöffnet wird.

Die Erregeramplitude und damit das für die Erregung in Resonanz benötigte Druckmittel-Volumen je Schwingung ist um den bei Resonanz gegebenen Verstärkungsfaktor kleiner als das Druckmittelvolumen, das sich aus der Schwingungsamplitude Wegamplitude) der Belastungseinrichtung ergeben würde. Darüber hinaus wird das Druckmittel bei hohem Zylinderdruck, d. h. bei stark vorgespannter ölfeder, in den Belastungszylinder zugeführt und bei weniger vorgespannter Feder abgeführt. Bei der DruckmittelzufUhrung entstehen daher infolge des geringen Druckunterschiedes zwisehen Speisedruck und Zylinderdruck nur geringe Drosselverluste. Aus dem geringen Druckmittelbereich und den niedrigen Drosselverlusten resultiert der hohe Wirkungsgrad des Verfahrens bzw. der Prüfeinrichtung nach der Erfindung bei Resonanzbetrieb. Die geringen, für die Aufrechterhaltung der Schwingung benötigten Druckmittelmengen machen es überhaupt erst möglich, auch große Belastungszylinders direkt für die Schwingungserregung einzusetzen.

Die Federkopstante des elastischen Druckmittels

kann auf verschiedene Weise an die Federkonstante des Prüfkörpers angepaßt werden. Wenn der Belastungskolben 7 im Belastungszylinder 6 in Mittelstellung steht, sind die Gliedern in den beiden Zylinderkammern gleich hart. Die einander entgegengeschalteten Federn bilden eine Parallel-Schaltung, die Gesamtfederkonstante der ölfeder ergibt sich daher aus der Addition der beiden Federkonstanten für die einzelnen Zylinderkammern. Die Gesamtfederkonstante kann nun dadurch auf einfache Weise in einem weiten Bereich verändert werden, daß der Belastungskolben 7 aus seiner Mittelstellung in eine beliebige Stellung innerhalb des Belastungszylinders 6 gebracht wird. Die ölfeder wird dadurch härter und die Gesamtfederkonstante für beide Zylinderkammern größer. Wenn der Belastungszylinder einseitig beaufschlagt wird (für reine Zug· oder Druckbelastungen) kann der Belastungskolben in die Nähe einer Endsteiiung im Beiasiungszyiindcf gebracht werden. Damit vergrößert sich das Druckmittelvolumen in der beaufschlagten Zylinderkammer, die ölfeder wird weicher und die Federkonstante kleiner.

Wenn über das Druckmittelvolumen im Belastungszylinder die gewünschte Steifigkeit bzw. Federkonstante des Druckmittels nicht erreicht wird, können die Zusatzbehälter 13 zugeschaltet werden, so daß eine Anpassung der Federkonstante des elastischen Druckmittels in einem weiten Bereich möglich ist

In der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß der Prüfkörper bei Resonanzprüfungen zu Beginn der Prüfung unbelastet ist Bei der

so Einstellung der ölfeder müssen daher die Drücke in den beiden Kammern des Belastungszyiinders bei beidseitiger Beaufschlagung zunächst gleich sein, wobei die Zusnmmendruckung des elastischen Druckmittels in den Kammern je nach Kammervolumen jedoch unterschiedlich sein kann. Bei Belastung des Prüfkörpers im Resonanzbetrieb wird eine Zug-Druck-Wechsellast aufgebracht Die Belastung schwankt um den Null-Punkt mit sinusförmig wechselnden Zug- und Druckbelastungen. In Fig.2 ist der Belastungsverlauf für verschieden große Belastungen in einem Diagramm dargestellt, in dem die Prüfkräfte F über die Zeit ( aufgetragen sind. Die im Resonanzbetrieb erzielbaren maximalen Belastungen (maximale Druckkraft - Faux, maximale Zugkraft — + Fj_0n) entsprachen etwa den maximal erzielbsren Priifkräften bei statischer Belastung.

Der Belastungszylinder kann nun zusätzlich zur Schwingbelastung noch mit einer Vorlast beaufschlagt

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werden. Diese Vorlast kann eine Zug- oder eine Druckvorlast sein. Zur Aufbringung der Vorlast werden die Zylinderkammern des Belastungszylinders vor der Prüfung über das Servo-Ventil mit unterschiedlichen Drücken so beaufschlagt, daß sich die gewünschte s Vorlast an der Probe ergibt Das auf diese Weise vorgespannte Svstem kann wie das nicht vorgespannte System in der Resonanzfrequenz angeregt werden. Die Erregung wird über das Servo-Ventil aufgebracht, das bei Prüfungen mit Vorlast geringfügig um seine ι ο Mittellage versetzt schwingt. Auf diese Weise kann die Vorlast auch bei Resonanzbetrieb aufrecht erhalten werden. Die Einstellung des Servo-Ventils wird an der Steuer- und Regeleinrichtung der Prüfmaschine vorgenommen.

Auch bei der Prüfung mit Vorlast darf der maximal in der höher vorgespannten Zylinderkammer auftretende Druck, der sich aus dem Vorlastanteil und dem Schwinganteil zusammensetzt, nicht über dem Speisedruck liegen, während der Druck in der weniger vorgespannten Zylinderkammer nicht unter Null abfallen darf.

Besonders vorteilhaft ist die einseitige Beaufschlagung des Belastungszylindes für reine Druck- oder reine Zugprüfungen. Hierbei ergibt sich ein besonders 2s geringer Ölverbrauch und die Möglichkeit, die Steifigkeit der ölfeder durch die Stellung des Kolbens im Belastungszylinder, in weiten Grenzen zu verändern.

F i g. 3 zeigt vereinfacht einen beidseitig beaufschlagten Belastungszylinder und die möglichen Kombinationen von Vor- und Schwinglast für diesen Zylinder. Im Belastungszylinder 6 befindet sich der Belastungskolben 7 in Mittelstellung innerhalb des Zylinders. Der Kolben ist über die Koioenstange 8 mit dem Prüfkörper 9 verbunden. Die ölfeder in den beiden Zylinderkammern ist durch Schrauöenfedern mit den Federkonstanten C\ und Ci dargestellt. Die Gesamtfederkonstante cot= α + ει. Wenn bei der Einstellung der Vorlast der Druck p\ in der oberen Zylinderkammer größer ist als der Druck pi in der unteren Kammer, ergibt sich als Vorlast eine Zugbelastung, im umgekehrten Fall eine Druckbelastung.

Das Belastungsdiagramm, in dem die Prüfkräfte F über der Zeit t aufgetragen sind, zeigt die möglichen Kombinationen von Vor- und Schwinglasten. Die gestrichelten waagerechten Linien stellen die jeweilige Vorlast dar (Zug oder Druck). Die Vorlast entspricht dem mittleren Druck in der beaufschlagten Zylinderkammer. Die sinusförmigen Kurven zeigen Schwinglasten mit unterschiedlichen Kraftamplituden. Die maximale Druckkraft — - F-^₁ Hie maximale Zugkraft —

F i g. 4 zeigt in ähnlicher Weise die Verhältnisse bei einseitig beaufschlagtem Zylinder, wobei eine Zugbelastung mit dem Vordruck p\ dargestellt ist. In der unteren Zylinderkammer herrscht Atmosphärendruck (p_oj. Bei Druckbelastung herrscht in der unteren Zylinderkammer der Vordruck jti und in der oberen Kammer der Druck po. Im Belastungsdiagramm sind die Belastungskurven für Druckbelastung gestrichelt gezeichnet.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können auch für beliebige andere servohydraulische oder ähnliche Prüfeinrichtungen mit Feder-Masse-Systemen und hydraulischer Beaufschlagung verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung von Resonanzprüfungen bei der Untersuchung von Werkstoffen und Bauteilen, bei dem ein Prüfkörper mit Teilen einer Prüfeinrichtung ein schwingungsfähiges System bildet, das in Resonanz angeregt wird, wobei die Prüfeinrichtung eine mit einem Druckmittel betriebene Belastungseinrichtung und eine servohydraulische Steuer- und Regeleinrichtung aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das Druckmittel in der Belastungseinrichtung ist als elastisches Mittel (ölfeder) in das schwingungsfähige System einbezogen;

b) die Steifigkeit (Federkonstante) des Druckmittels ist auf die Steifigkeit (Federkonstante) des Prüfkörpers (11) bzw. des gesamten schwingungsfthigen Systems (6—11) der Prüfeinrichtung und auf dessen Massen abgestimmt;

c) die in der hydraulischen Belastungseinrichtung bei Resonanzbetrieb auftretenden maximalen Drücke sind möglichst nahe an den zulässigen Speisedruck (Systemdruck) gelegt