DE2729467A1

DE2729467A1 - Vorrichtung zum berechnen der verstrichenen ermuedungszeit eines wechselbelastungen unterliegenden bauteils

Info

Publication number: DE2729467A1
Application number: DE19772729467
Authority: DE
Inventors: Robert Graham Burrage; Ronald Alfred Heathand; Alan Thomas
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1976-07-03
Filing date: 1977-06-30
Publication date: 1978-01-05
Also published as: FR2399067A1; GB1579336A; IT1075728B; JPS536092A

Description

COHAUSZ & FLORACK

patbntanwaltsbOro 5 7 9 Q / C 7

D-4 DOSBBLDORF · BCHUMANNSTR &T

PAIENrANVWSUl: OtPi-In₀. W. COHAUSZ ■ tXpl Ing. W. HORACK - Dipl-lng. R. KNAUF Dr.-lng.. Dipl.-Wirtsch.-lng. A. G6RBER Dipl.-lng. H. B. COHAUSZ

Lucas Industries !limited

Great King Street

GB-Birmingham 29. Juni 1977

Vorrichtung zum Berechnen der verstrichenen Ermüdungszeit eines Wechselbelastungen unterliegenden Bauteils

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Berechnen der verstrichenen Ermüdungszeit eines Wechselbelastungen unterliegenden Bauteils.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Berechenen der verstrichenen Ermüdungszeit eines beweglichen Bauteils, bei dem der Belastungswert eine Funktion der Drehzahl des Bauteils ist· Beispiele für solche Bauteile sind die Kompressor- oder Turbinenläufer eines Gasturbinen-Triebwerks.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Lieferung einer Anzeige der verstrichenen Ermüdungszeit einer Einrichtung, die im Betrieb wechselnden Belastungen ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch Mittel zur Lieferung eines Eigangssignals, dessen Wert von der Istgröße der Wechselbelastung abhängig ist, und durch einen Computer, der auf die Eingangssignale anspricht und wie folgt programmiert ist:

er spricht auf die letzten in einer Folge auftretenden jeweiligen Maximal- und Minimalwerte des Eingangssignals zur Bestimmung eines Istbezugsminimalwerts an,

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Wa/Ti - 2 -

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er spricht auf die letzten in einer Folge auftretenden jeweiligen Minimal- und Maximalwerte des Eingangssignals zur Bestimmung eines Istbezugsmaximalwerts an,

er weist jeden Maximalwert ab, der einen als nächstes auftretenden Minimalwert hat, der über dem Bezugsminimalwert liegt, und er weist jeden Minimalwert ab, der einen als nächstes auftretenden Maximalwert hat, der unter dem Bezugsmaximalwert liegt,

er speichert in einer Folge jeden Maximal- und Minimalwert, der nicht in dieser Weise abgewiesen wird,

er führt einen ersten diskriminierenden Rechenvorgang zur Bestimmung aus den letzten vier in dieser Weise gespeicherten Werten der Tatsache aus, ob ein später gespeicherter Maximalwert nicht kleiner als ein früher gespeicherter Maximalwert ist, und wenn das der Fall ist, berechnet und addiert er zum Inhalt einer Stufenspeicherung des Computers einen ersten Stufenwert, der der folgenden Formel entspricht:

wobei a = der früher gespeicherte Maximalwert, b = der früher gespeicherte Minimalwert, und <^ und P vorgegebene Belastungskoeffizienten für den unter Belastung stehenden Bauteil,

er führt für den Fall eines negativen Ergebnisses des ersten diskriminierenden Rechenvorgangs einen zweiten diskrimierenden Rechenvorgang zur Betimmung aus den letzten vier gespeicherten Werten der Tatsache aus, ob ein später gespeicherter* Maximalwert kleiner als ein früher gespeicherter Maximalwert ist und ob ein efrüher gespeicherter Minimalwert größer als ein später gespeicherter Minimalwert ist, und, wenn das der Fall ist, berechnet und addiert er zum Inhalt einer Stufen-

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speicherung des Computers einen zweiten Stufenwert, der der folgenden Formel entspricht:

[c² - VVO - Ab²)] ^p,

wobei c = ein später gespeicherter Maximalwert und der Wert in der Stufenspeicherung die abgelaufene Ermüdungszeit des Bauteils während der Zeit darstellt, während der die Eingangssignale geliefert werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Computer wie folgt programmiert:

er bestimmt aus den letzten vier gespeicherten Werten, ob ein früher gespeicherter Maximalwert größer als ein später ge speicherter Maximalwert ist, und ob ein früher gespeicherter Minimalwert kleiner als ein später gespeicherter Minimalwert ist, und, wenn das der Fall ist,

er addiert zur Speicherung die als nächstes auftretenden signifikanten Maximal- und Minimalwerte,und

er führt anschließend den ersten und den zweiten diskriminierenden Rechenvorgang entsprechend mit den letzten vier in dieser Weise gespeicherten Werten aus, und

er berechnet anschließend und addiert zum Inhalt der Stufenspeicherung den ersten oder den zweiten Stufenwert für die letzten vier in dieser Weise gespeicherten Werte.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Computer wie folgt programmiert:

er löscht alle gespeicherten Werte, die zum Berechen des ersten oder des zweiten Stufenwerts benutzt worden sind, und

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er schiebt die verbleibenden gespeicherten Werte an nachgeschaltete Speicherungsorte einschließlich Orte, aus denen zuvor Werte gelöscht worden sind.

In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Computer so programmiert, daß er die Istmaximalwerte aus der folgenden Gleichung bestimmt:

wobei χ = der nächst vorhergehende Minimalwert des Eingangssignals ist und

β = ein vorgegebener Belastungskoeffizient des Bauteils ist, und er ist so programmiert, daß er die Istminimalwerte aus der folgenden Gleichung bestimmt:

wobei y = der nächst vorhergehende Maximalwert des Eingangssignals ist.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird, ist die Vorrichtung zum Berechen der verstrichenen Ermüdungszeit einer Läuferscheibe 10 vorgesehen, die einen Teil eines Gasturbinen-Triebwerks für ein Flugzeug bildet. Eine elektromagnetische Sonde 11 wirkt mit Vorsprüngen an der Scheibe 10 zusammen, um an einer Leitung 12 ein Signal zu liefern, dessen Frequenz eine Funktion der Drehzahl der Scheibe 10 ist·

Ein Wandlerkreis 13 spricht auf die Signale an der Leitung 12 an, um ein Digitaleingangssignal an einer Leitung 14 zu einem Computer 15 zu liefern. Der Computer 15 ist in einer noch zu beschreibenden Weise programmiert, um einen Ausgang an eine Anzeigeeinrichtung 16 zu liefern, und die sr Ausgang ist eine Anzeige der verstrichenen Ermüdungszeit der Läuferscheibe 10 während der Zeit, während der die Vorrichtung in Betrieb ist·

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Die Belastung der Läuferscheibe 10 ist eine Punktion des Quadrats der Drehzahl der Scheibe 10. Eine Bezugsdrehzahl der Scheibe 10, die zu einer maximal zulässigen Betriebsbelastung führt, ist bekannt oder kann bestimmt werden, und zwar aus der Konstruktion und den Werksetoffen der Scheibe 10, Die Istdrehzahl N der Scheibe ist im Zuasammenhang mit der Erfindung als ein Bruchteil dieser Bezugsdrehzahl ausgedrückt.

Die Ermüdungszeit eines Bauteils ist die Summe einer Folge von Wechselspielen, bei denen jeweils die Belastung des Bauteils zwischen örtlichen Maxima und örtlichen Minima schwankt, und diese Ermüdungszeit wird durch die folgende Formel ausgedrückt :

3s_H-s_L)/(i -As₁)] ^p (1)

wobei SjJ = eine örtliche Maximalbelastung, Sj. « eine örtliche Minimalbelastung,

A und P = vorgegebene Belastungskoeffizienten für den Bauteil, und weil die Belastung des Läufers 10 proportional zum Quadrat der Drehzahl ist, wird Gleichung (1)

Σ I (Ν/ - N_L ²)/(1 -A N₁ ²)) ^P (2)

wobei N^ * eine örtliche Maximaldrehzahl und N_T = eine örtliche Minimaldrehzahl ist.

Wie in Pig. 2 dargestellt, erführt die Scheibe 10 während eines einzigen Plugs eine Anzahl von örtlichen Maxima Nt₁ Ht₁ und eine Anzahl örtlicher Minima N_T , N_T , wobei das erste

JlJ,' Lp'

und das letzte dieser Minima Null sind·

Es gibt ferner zu jedem Zeitpunkt eine signifikante Maximaldrehzahl (SIGMAX), die ein örtliches Maximum N_H überschreiten muß, wenn der Drehzahlzyklus, von dem es einen Teil bildet, die Ermüdungszeit beeinflussen soll. Dieser Wert von SIGMAX ändert sich während des gesamten Plugzyklus, und dessen Istwert ist wie folgt bestimmt:

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- Jcf -

SIGMAX= (& (1 - <λχ²) + χ²)* (3)

wobei χ = der nächst vorhergehende Minimalwert N^ und £> - ein weiterer Belastungskoeffizient des Läufers ist.

Es gibt auch eine signifikante Minimaldrehzahl (SIGMIN), unter die ein örtliches Minimum N, fallen muß, wenn der Drehzahlzyklus, von dem es einen Teil bildet, die Ermüdungszeit beeinflus sen soll. Dieser Wert von SIGMIN ändert sich während des gesamten Flugzyklus, und dessen Istwert ist durch die folgende Formel dargestellt: ₁

SIGMIN = (ß - y²)/&ß- 1) ⁷ (4)

wobei y = der nächst vorhergehende Maximalwert Nj₁ ist.

Wenn der in Fig. 2 gezeigte Flugzyklus betrachtet wird, wird der Computer 15 so programmiert, daß er wieÄolgt arbeitet:

eine erste signifikante Ist-Maximaldrehzahl SIGMAX.. wird unter Verwendung der Gleichung (3) berechnet, wobei es sich versteht, daß/diese erste Berechnung der Wert von χ Null ist. /Hr

Der nächst auftretende Maximalwert N_{H wird} erfaßt und in einen Speicherort N MAX TEMP des Computers 15 gesetzt.

Der Wert N_H wird für y in Gleichung (4) ersetzt, und eine erste signifikante Ist-Minimaldrehzahl SIGMIN.. wird berechnet.

Der nächst auftretende Minimalwert Nt wird erfaßt und mit SIGMIN₁ verglichen. Wenn N_L kleiner Ils oder gleich SIGMIN₁ ist, wird N_T in einen Speicherort N MIN TMP des Computers 15

2
gesetzt, NjT wird zu einem Speicherort N DATA verschoben, um für eine anschließende Berechnung benutzt zu werden, und ein neuer Wert SIGMAX₉ wird unter Benutzung des Werts N_T berechnet.

Wenn jedoch N_T größer als SIGMIN₁ ist, wird der Wert N₁T aus L₂ 1 H₁

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dem Speicherort N MAX TEMP gelöscht und steht nicht mehr zur Verfügungc Der Computer untersucht weiter das Eingangssignal, um den nächsten Maximalwert H„ zu orten.

H₂

Wenn N_u gleich oder größer als SIGMAX₀ ist. wird der Wert N_u in den Speicherort N MAX TEMP gesetzt, N₁ wird zu einem Speicher N DATA zur anschließenden Verwendung für die Berechnung verschoben, und ein neuer signifikanter MINIMALWERT SIGMIN₂ wird berechnet.

Wenn N„ kleiner als SIGMAX₉ ist, wird der Wert N_T gelöscht, und der Computer untersucht weiter das Eingangssignal, um den nächsten MINIMALWERT N₁- zu orten.

^L3

Der vprstehende Prozeß geht weiter, bis zwei N„- und zwei Nj-Signale im Speicher N DATA sind. Diese wvier Werte werden untersucht. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, können neun Zyklusformen auftreten. In Pig.3(i) bis 3(vi) ist ein zweiter Wert c von N„ größer als oder gleich einem ersten Wert a von N„. In diesem Fall werden die Werete a und b für N„ und Nt in der Gleichung (2) gesetzt, und das Ergebnis wird dem Inhalt eines weiteren Stufenspeichers hinzugezählt, wobei der Inhalt dieses weiteren Speichers die abgelaufene Ermüdungszeit der Scheibe 10 während der Zeit darstellt, während der die Vorrichtung in Betrieb ist.

Wenn, wie in Fig. 3(viii und 3(ix) dargestellt, der Wert a größer als der Wert c ist und der Wert b größer als oder gleich dem Wert c ist, werden die Werte c und b für N_H und N^ in der gleichung (2) gesetzt, und die Ergebnisse werden dem Inhalt des genannten weiteren Stufenspeichers hinzugezählt.

Die Werte a und b oder die Werte c und b, die zum Berechnen benutzt worden sind, wie das vorstehend beschrieben worden ist, werden aus dem Speicher N DATA gelöscht, und die verbleibenden Werte werden verschoben, um nachgeschaltete Speicherorte einzu-

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nehmen, einschließlich derjenigen, aus denen Daten gelöscht worden sind, so daß ein geringster Speicherraum für den Speicher N DATA erforderlich ist.

In dem Fall, daß die Werte des Speichers N DATA einen Zyklus beschreiben, wie er in Fig. 3(vii) gezeigt ist, erfolgt keine Berechnung und Weiterstufung. Dieser Zustand ist bei N_H in Fig. 2 dargestellt. Der als nächstes auftretende Maximaiwert N™ wird festgestellt, und er wird, falls er bezüglich des nächsten^ Minimalwerts N-, , dem berechneten Wert von SIGMINc signifikant ist, in den Speicher N DATA mit den vorhandenen Werten N₁₁ bis Nt eingegeben. Der als nächstes auftretende Minimalwert ^J Nt wird in gleicher Weise, falls signifikant, in den Speicher N DATA eingegeben.

Die vier Werte, die als letztes in den Speicher N DATA eingegeben werden sind, werden wiederum untersucht, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert worden ist, die entsprechenden Berechnungen werden durchgeführt, außer wenn der Zustand 3(vii) vorliegt, der Stufenspeicher wird auf den neusten Stand gebracht, und die zur Berechnung benutzten Zahlen werden aus dem Speicher N DATA gelöscht.

Der Computer arbeitet wieter, um Maximal- und Minimalwerte von N festzustellen, diese Werte zu speichern, falls sie in bezug auf die auf den neusten Stand gebrachten Werte von SIGMAX oder SIGMIN signifikant sind, Berechnungen, falls möglich, mit zwei der letzten vier Werte durchzuführen, die in den Speicher N DATA eingegeben worden sind, und Werte zu löschen, mit denen diese Berechnungen durchgeführt worden sind.

Es ist also zu sehen, daß, außer in dem in Fig. 3(vii) gezeigten Fall der Speicher N DATA nicht mehr als vier Werte speichern muß. Der in Fig. 3 (vii) gezeigte Zustand ist konvergent, und die Erfahrung hat gezeigt, daß für ein Gasturbinen-Triebwerk für ein Flugzeug nicht mehr als fünf Paare konvergierende

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Maximal- und Minedmalwerte zu erwarten sind. Es ist damit möglich, einen Speicher N DATA mit einer kleinen Maximalkapazität vorzusehen und gleichzeitig darauf zu vertrauen, daß diese Kapazität nicht überschritten werden muß. In dem Pail, daß die Werte nach fünf Paaren Maxima und Minima konvergent bleiben, ist außerdem die Differenz zwischen dem als nächstes auftretenden Maximum und Minimum klein, und das Ergebnis der Berechnung des Stufenwerts ist selbst klein.

Die erforderliche Speicherkapeazität ist also extrem klein, und der Computer kann als eine mitfliegende Einheit mit dem zugehörigen Triebwerk getragen werden. Die Erfindung sieht auch eine laufende Anzeige der verstrichenen Ermüdungszeit eines Bauteils vor, ohne daß Beleastungswerte über die Gesamtheit eines Betriebsablaufs aufgezeichnet und die in dieser Weise aufgezeichneten Daten anschließend verarbeitet werden müssen.

Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung zum Verarbeiten von vorher aufgezeichneten Daten in einfacher Weise benutzt werden kann und daß eine Anzeige der verstrichenen Ermüdungszeit geliefert werden kann, wobei diese Anzeige gleichzeitig mit der Eingabe von vorher aufgezeichneten Daten in den Computer erfolgt·

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Triebwerksläuferscheibe als der Bauteil ausgesucht worden, für den die Ermüdnngszeit zu bestimmen ist, weil von diesem Bauteil bekannt ist, daß es im Betrieb des höchsten Belastungszuständen ausgesetzt ist, und damit wird für eine Anzeige der Ermüdungszeit des Triebwerks als Ganzes gesorgt. Es ist jedoch ersichtlich, daß jeder andere Bauteil ausgesucht wer den kann, vorausgesetzt, daß dessen Belastung ohne weiteres gemessen v/erden kann·

Es ist ferner ersichtlich, daß die Vorrichtung in gleicher Wei-

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se für jeden anderen Bauteil anwendbar ist, der im Betrieb einer Wechselbelastung ausgesetzt ist, beispielsweise für einen Druckkessel, und in diesem Fall kann die Belastung gemessen werden, und die Werte können direkt benutzt werden, um SIGMAX, SIGMIN und den ersten oder zweiten Stufenwert zu bestimmen.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

Vorrichtung zur Lieferung einer Anzeige der verstrichenen Ermüdungszeit einer Einrichtung, die im Betrieb einer Y/echselbelastung unterzogen ist, gekennzeichnet durch Mittel zur Lieferung eines Eingangssignals, dessen Wert von der Istgröße der V/echselbelastung abhängig ist, und durch einen Computer, der auf die Eingangssignale anspricht und wie folgt programmiert ist:

er spricht auf die letzten in einer Folge auftretenden jeweiligen Maximal- und Minimalwerte des Eingangssignals zur Bestimmung eines Istbezugsminimalwerts an,

er spricht auf die letzten in einer Folge auftretenden jeweiligen Minimal- und Maximalwerte des Eingangssignals zur Bestimmung eines Istbezugsmaximalwerts an,

er weist jeden Maximalwert ab, der einen als nächstes auftretenden Minimalwert hat, der über dem Bezugsminimalwert liegt,

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ORIGINAL INSPECTED

und er weist jeden Minimalwert ab, der einen als nächstes auftretenden Maximalwert hat, der unter dem Bezugsmaximalwert liegt,

er speichert in einer Folge jeden Maximal- und Minimalwert, der nicht in dieser Weise abgewiesen wird,

er führt einen ersten diskriminierenden Rechenvorgang zur Bestimmung aus den letzten vier in dieser Weise gespeicherten Werten der Tatsache aus, ob ein später gespeicherter Maximalwert nicht kleiner als ein früher gespeicherter Maxina lwert jsfc, und wenn das der Fall ist, berechnet und addiert er zum Inhalt einer Stufenspeicherung des Computers einen ersten Stufenwert, der der folgenden Formel entspricht:

wobei a = der früher gespeicherte Maximalwert, b = der früher gespeicherte Minimalwert, und

und P vorgegebene Belastungskoeffizienten für den unter Belastung stehenden Bauteil sind,

er führt für den Fall eines negativen Ergebnisses des ersten diskriminierenden Rechenvorgangs einen zweiten diskriminierenden Rechenvorgang zur Bestimmung aus den letzten vier gespeicherten Werten der Tatsache aus, ob ein später gespeicherter Maximalwert kleiner als ein früher gespeicherter Maximalwert ist und ob ein früher gespeicherter Minimalwert größer als ein später gespeicherter Minimalwert ist, und, wenn das der Fall ist, berechnet und addiert zum Inhalt einer Stufenspeicherung des Computers einen zweiten Stufenwert, der der folgenden Formel entspricht:

te² - i,²)/(i - Ak²)] ^p,

wobei c = ein später gespeicherter Maximalwert ist und der Wert in der Stufenspeicherung die abgelaufende Ermüdungszeit des Bau-

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teils während der Zeit darstellt, während der die Eingangssignale geliefert werden.

2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Computer wie folgt programmiert ist:

er bestimmt aus den letzten vier gespeicherten Werten, ob ein früher gespeicherter Maximalwert größer als ein später gespeicherter Maximalwert ist, und ob ein früher gespeicherter Minimalwert kleiner als ein später gespeicherter Minimalwert ist, und, wenn das der Fall ist,

er addiert zur Speicherung die als nächstes auftretenden signifikanten Maximal- und Minimalwerte, und

er führt anschließend den ersten und den zweiten diskriminierenden Rechenvorgang entsprechend mit den letzten vier in dieser Weise gespeicherten Werten aus, und

er berechnet anschließend und addiert zum Inhalt der Stufenspeicherung den ersten oder den zweiten Stufenwert für die löteten vier in dieser Weise gespeicherten Werte.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Computer wie fligt programmiert ist:

er löscht alle gespeicherten Werte, die zum Berechnen des ersten oder zweiten Stufenwerts benutzt worden sind, und

er schiebt die verbleibenden gespeicherten Werte an nachgeschaltete Speicherungsorte einschließlich Orte, aus denen zuvor Werte gelöscht worden sind.

4· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Computer so programmiert

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ist, daß er die Istmaximalwerte aus der folgenden Gleichung bestimmt:

wobei Xx= der nächst vorhergehende Minimalwert des Eingangssignals ist und

β = ein vorgegebener Belastungskoeffizient des Bauteils
ist, und er ist so programmiert, daß er die Istminimalwerte aus der folgenden Gleichung bestimmt:

^Vmin ⁼ C⁽P * y²)/(*ß - Ο ⁷,

wobei »y = der nächst vorhergehende Maximalwert des Eingangssignals ist.

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