DE3309068A1 - Piezoelektrischer schwingungserreger - Google Patents

Piezoelektrischer schwingungserreger

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Description

hk/ba/fr
MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH
München, 14. März 1983
Piezoelektrischer Schwingungserreger
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwingungserreger zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zum Zweck einer zerstörenden Werkstoffprüfung von Bauteile-Prüflingen, mit piezokeramischen Scheiben, die mit dem Prüfling mechanisch verbunden und im Betrieb an eine Wechselspannung angelegt sind.
Die zur Zeit auf dem Markt erhältlichen piezoelektrischen Schwingungserreger arbeiten in der Regel nach dem Prinzip eines stark bedämpften Feder-Masse-Systems. Dabei werden piezokeramische Ringe oder Scheiben zwischen zwei Massen angeordnet und mit einem durchgehenden oder mehreren äußeren, als Feder wirkenden Spannbolzen ("Dehnschraube") verspannt. Die Scheiben sind an den Stirnflächen metallisiert. Beim Anlegen einer Wechselspannung verändern sie ihre Dicke gegen die Vorspannung der Feder im Rhythmus der Spannungsänderung. Die Resonanzfrequenzen des Schwingsystems sind abhängig von der Größe der verwendeten Massen, der Federkonstanten des Spannbolzens und seinem Temperaturverhalten sowie dem Gewicht des Prüflings.
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Zur Erzielung größtmöglicher Schwingungsamplituden muß eine genaue Abstiimuung auf die gewünschte Prüffrequenz des angekoppelten Prüflings vorgenommen werden. Die Folge sind große Unlinearitäten der Frequenzgangkurven, die nur durch starke Bedämpfung abgeflacht werden können. Dabei wird ein großer Teil der eingespeisten Leistung in Verlustwärme umgewandelt, wodurch die ersielbaren Schwingungsamplituden sehr klein bleiben» Außerdem kommt es beim bekannten Schwingungserreger in nachteiliger Weise zu unerwünscht hohen Erwärmungen des Systems.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines piezoelektrischen Schwingungserregers zur Erzeugung mechanischer Schwingungen der eingangs genannten Art, der einen einfachen Aufbau besitzt und bei dem eine volle Durchstimmbarkeit über einen weiten Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz mit
ein weitgehend linearem Frequenzgang und/gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbesserter Wirkungsgrad zwischen eingespeister elektrischer Energie und kinetischer Energie durch geringe mechanische Bedämpfung der schwingenden Teile ermöglicht sind.
Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch „ daß zwischen zwei gleich großen Scheibenpaketen aus piezokeramik ein als Einspannvorrichtung für den Prüfling ausgebildeter Schwingurgsanker angeordnet ist, wobei die Scheibenpakete in einem steifen Spannrahmen eingespannt sind, jeweils eine gleiche geradzahlige Anzahl von Piezokeramiks-cheiben enthalten und so geschaltet sind,, daß sich beim Anlegen der Wechselspannung das eine Scheibenpaket gleichphasig mit der Spannung axial zusammenzieht, während sich das andere Scheibenpaket axial ausdehnt.
Der Schwingungsanker ist vorteilhafterweise als leichtgewichtiges Bauteil mit seitlicher Einkerbung ausgebildet und besitzt insbesondere eine zentrale Durchgangsöffnung für eine Paßsitzaufnähme eines zu prüfenden Prüflings,
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-5-z.B. einer Hochdruckverdichterschaufel einer Gasturbine.
.Der Schwingungsanker ist zweckmäßigerweise zur zentralen Schwingungsachse des Erregersystems zentralsymmetrisch ausgebildet und hat die Größe der benachbarten Piezokeramikscheiben, die insbesondere kreisrund ausgebildet sind.
Ein Scheibenpaket besteht bevorzugt jeweils aus vier Piezokeramikscheiben, zwischen denen metallene Kontaktfolien ausgebildet sind.
Der Spannrahmen des Schwingungserregers umfaßt im wesentlichen eine Basisplatte und einen Spannbügel, die miteinander verschraubt sind. Im Spannbügel befindet sich auf der basisplattenfernen Seite zentrisch eine Spannspindel, die mit einer Kontermutter abgesichert werden kann. Durch die Spannspindel kann zweckmäßigerweise über eine Druckplatte die im Spannbügel aufgenommene Einheit aus den beiden Scheibenpaketen mit zwischengeordnetem Schwingungsanker eingespannt werden.
im Betrieb wird der Prüfling, z.B. eine Hochdruckverdichterschaufel einer Gasturbine zwecks Durchführung von Schaufelermüdungsversuchen in der Einspannvorrichtung des Schwingungsankers formschlüssig aufgenommen, entsprechend befestigt, und es wird an das System eine Wechselspannung in einem breiten Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz angelegt. Die in den piezokeramischen Scheiben auftretenden Schwingungsamplituden werden auf den mechanisch angekoppelten Schwingungsanker übertragen, der mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung hin- und herbewegt wird; entsprechend bewegt sich der zu untersuchende Prüfling. Das erfindungsgemäße System gestattet eine volle Durchstimmbarkeit über einen weiten Frequenzbereich mit weitgehend linearem Frequenzgang. Dabei tritt nur geringe mechanische Bedämpfung der schwin-
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genden Teile ein. Die Verlustwärme der eingespeisten Leistung ist minimal, so daß vergleichsweise große Schwingungsamplituden erzielbar sind. Mithin ergibt sich ein guter Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen 'Schwingungserregersystems„ Durch Erhöhung der Scheibenanzahl in den Paketen können die Schwingungsamplituden ohne Änderung der Speisewechselspannung vergrößert werden,, wobei aber jeweils gleiche Größe der Pakete und schaltungstechnisch bedingt eine geradzahlige Anzahl von Scheiben pro Paket erforderlich sind» Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in gewissen Grenzen das Gewicht des Prüflings keinen Einfluß auf die erzielbaren Schwingung samplituden nimmt, da der Schwingungsanker mit einer erzwungenen Schwingung und nicht im Bereich einer Systemresonanz bewegt wird (im Gegensatz zum eingangs genannten bekannten piezoelektrischen Schwingungserreger, der auf dem Prinzip eines stark bedämpften Feder-Masse-Systems beruht) .
Die Erfindung vjixd nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die aus einer einzigen Figur bestehenden Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung ist in schematischer Querschnittsansicht ein volldurchstimmbarer piezoelektrischer Schwingungserreger 1 mit hohem Wirkungsgrad zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zum Zweck einer zerstörenden Werkstoffprüfung von Bauteilen in einem Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz veranschaulicht.
Der Schwingungserreger 1 besitzt zwei Scheibenpakete 2,3 aus Piezokeramik und einen leichtgewichtigen zwischengeordneten Schwingungsanker 5, die in einem steifen Spannrahmen β angeordnet sind=
Der Schwingungsanker 5 befindet sich in unmittelbarer
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Nähe in mechanischer Berührung zu den beiden Scheibenpaketen 2,3 und ist als Einspannvorrichtung für einen Prüfling ausgeführt. Für eine Paßsitzaufnähme des Prüflings ist eine zentrale Durchgangsöffnung 8 im Schwingungsanker vorgesehen, und es ist eine Umfangseinkerbung in Form einer Eindrehung ausgebildet, so daß der Schwingungsanker geringes Gewicht aufweist.
Die beiden Scheibenpakete 2,3 bestehen aus einer geradzahligen Anzahl von Piezokeramikscheiben 4. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils vier Scheiben vorhanden. Die Scheiben besitzen auf ihren Stirnseiten metallische Kontaktfolien 9 zur Erzielung des piezoelektrischen Effekts im Betrieb und sind so geschaltet, daß sich beim Anlegen einer .Wechselspannung das eine Paket gleichphasig mit der Spannung axial zusammenzieht, während sich das andere Scheibenpaket ausdehnt. Dabei wird der zwischen den Scheiben 4 angeordnete Schwingungsanker 5 mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung hin- und herbewegt, mithin auch der angeschlossene Prüfling.
Die Einheit bestehend aus den beiden Scheibenpaketen 2 und 3 und dem zwischengeordneten Schwingungsanker 5 ist in einem steifen Spannrahmen 6 eingespannt, der im wesentlichen aus einer planen Basisplatte 10 und einem im Querschnitt U-förmigen Spannbügel 11 besteht, die miteinander verschraubt sind. Der Spannbügel 11 besitzt an seiner, basisplattenfernen Seite eine zentrale Durchgangsöffnung mit Gewindeausbildung, in der eine Spannspindel 12 in einem Gewindeeingriff steht. Im U-förmigen Ausschnitt des Spannbügels ist die Scheibenpaket-Schwingungsanker-Einheit aufgenommen und wird durch die Spannspindel 12 über eine oberseitige Druckplatte 14 in einem verspannten Eingriff gehalten, wobei eine angezogene Kontermutter 13 auf der Spannspindel 12 für eine Arretierung der Verspannung sorgt.
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Claims (8)

  1. hk/ba/fr
    MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
    MÜNCHEN GMBH
    München, 14. März 198 3
    Piezoelektrischer Schwingungserreger
    Patentansprüche
    piezoelektrischer Schwingungserreger zur Erzeugung mechanische*; :Schw^ zum Zweck einer zerstörenden Werkstoffprüfung von Bauteile-Prüflingen, mit piezokeramischen Scheiben, die mit dem Prüfling mechanisch verbunden und im Betrieb an eine Wechselspannung angelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei gleich großen Scheibenpaketen (2,3) aus Piezokeramik ein als Einspannvorrichtung für den Prüfling ausgebildeter Schwingungsanker (5) angeordnet ist, wobei die Scheibenpakete (2,3) in einem steifen Spannrahmen (6) eingespannt sind, jeweils eine gleiche geradzahlige Anzahl von Piezokeramikscheiben (4) enthalten und so geschaltet sind, daß sich beim Anlegen der Wechselspannung das eine Scheibenpaket gleichphasig mit der Spannung axial zusammenzieht, während sich das andere Scheibenpaket axial ausdehnt.
  2. 2. Schwingungserreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsanker (5) als leichtge wichtiges Bauteil mit seitlicher Einkerbung (7) aus gebildet ist.
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    .:/ .:-.;:" -: 3309066
  3. 3. Schwingungserreger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsanker (5) eii?£ zentrale Durchgangsöffnung (8) für eine Paßsitzaufnähme eines zu prüfenden Prüflings besitzt.
  4. 4. Schwingungserreger nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsanker (5) zur zentralen Schwingungsachse (a) des Erregersystems zentralsymmetrisch ausgebildet ist.
  5. 5. Schwingungserreger nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,, daß der Schwingungsanker (5) außenumfangsmäßig in gleicher Größe wie die kreisrunden Piezokeramikscheiben (4) ausgebildet ist.
  6. 6. Schwingungserreger nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Scheibenpaket (2,3) aus jeweils vier Piezokeramikscheiben besteht, zwischen denen metallene Kontaktfolien (9) ausgebildet sind.
  7. 7. Schwingungserreger nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannrahmen (6) im wesentlichen aus einer Basisplatte (10) und einem Spannbügel (11) besteht, die miteinander verschraubt sind, wobei im Spannbügel (11) auf der basisplattenfernen Seite zentrisch eine Spannspindel (12) mit Kontermutter (13) vorgesehen ist.
  8. 8. Schwingungserreger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Spannspindel (12) über eine Druckplatte (14) die im Spannbügel (11) aufgenommene Einheit aus den beiden Scheibenpaketen (2,3) mit zwischengeordnetem Schwingungsanker (5) einspannbar ist.
    ESP-715
    14.03.1983
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