DE3309068C2

DE3309068C2 - Piezoelektrischer Schwingungserreger

Info

Publication number: DE3309068C2
Application number: DE3309068A
Authority: DE
Inventors: Werner 8000 München Kunz; Walter 8852 Rain Voigt
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1983-03-14
Filing date: 1983-03-14
Publication date: 1987-04-23
Also published as: GB2137024A; DE3309068A1; FR2542638B1; GB2137024B; FR2542638A1; US4491759A; GB8406661D0

Abstract

Bei einem piezoelektrischen Schwingungserreger zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zum Zweck einer zerstörenden Werkstoffprüfung sind zwei gleich große Scheibenpakete mit einer geradzahligen Anzahl von Piezokeramikscheiben vorgesehen, wobei zwischen den beiden Scheibenpaketen ein als Einspannvorrichtung für den Prüfling dienender Schwingungsanker angeordnet ist. Die Scheibenpaket-Schwingungsanker-Einheit ist in einem steifen Spannrahmen eingespannt. Die Piezokeramikscheiben wurden so an eine Wechselspannung angelegt, daß sich das eine Scheibenpaket gleichphasig mit der Spannung axial zusammenzieht, das andere axial ausdehnt. Dabei wird der zwischen den Scheiben angeordnete Schwingungsanker und der Prüfling mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung hin- und herbewegt.

Description

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.
Ein piezoelektrischer Wandler der vorgenannten Bauart, der vorzugsweise für die Ultraschallreinigung von Tanks verwendet wird, ist aus der DE-OS 20 53 772 bekannt. Wollte man einen piezoelektrischen Wandler der vorbekannten Bauart zur Werkstoffprüfung von Bauteilprüflingen verwenden, so müßte zur Erzielung größtmöglicher Schwingungsamplituden eine genaue Abstimmung auf die gewünschte Prüffrequenz des angekoppelten Prüflings vorgenommen werden. Als Folge davon ergäben sich große Unlinearitäten der Frequenzgangkurven, die nur durch starke Bedämpfung abgeflacht werden könnten. Dabei würde ein großer Teil der eingespeisten Leistung in Verlustwärme umgewandelt werden, wodurch die erzielbaren Schwingungsamplituden klein blieben. Außerdem ergäbe sich eine unerwünscht hohe Erwärmung 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 weitgehend linearem Frequenzgang und ein 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 Schwingungsanker angeordnet ist, wobei die Scheibenpakete in einem steifen Spannrahmen eingespannt sind, jeweils eine gleiche geradzahlige Anzahl von Piezokeramikscheiben enthalten und so gestaltet sind, daß sich beim Anlegen der Wechselspannung das eine Scheibenpaket gleichphasig mit der Spannung axial zusammenzieht, während sich das andere Scheibenpaket axial ausdehnt.
Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Schwingungsanker ist vorteilhafterweise als leichtgewichtiges Bauteil mit seitlicher Einkerbung ausgebildet und besitzt insbesondere eine zentrale Durchgangsöffnung für eine Paßsitzaufnahme eines zu prüfenden Prüflings, 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 schwingenden Teile ein. Die Verlustwärme der eingespeisten Leistung in 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 Schwingungsamplituden 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).
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend 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 6 angeordnet sind.
Der Schwingungsanker 5 befindet sich in unmittelbarer Nähe in mechanischer Berührung zu den beiden Scheibenpaketen 2, 3 und ist als Einspannvorrichtung für einen Prüfling ausgeführt. Für eine Paßsitzaufnahme des Prüflings ist eine zentrale Durchgangsöffnung 8 im Schwingungsanker vorgesehen, und es ist eine Umfangseinkerbung 7 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.

Claims

1. Piezoelektrischer 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, 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. Schwingungserreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsanker (5) als leichtgewichtiges Bauteil mit seitlicher Einkerbung (7) ausgebildet ist.

3. Schwingungserreger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsanker (5) eine zentrale Durchgangsöffnung (8) für eine Paßsitzaufnahme eines zu prüfenden Prüflings besitzt.

4. Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsanker (5) zur zentralen Schwingungsachse (a) des Erregersystems zentralsymmetrisch ausgebildet ist.

5. Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsanker (5) außenumfangsmäßig in gleicher Größe wie die kreisrunden Piezokeramikscheiben (4) ausgebildet ist.

6. Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Scheibenpaket (2; 3) aus jeweils vier Piezokeramikscheiben (4) besteht, zwischen denen metallene Kontaktfolien (9) ausgebildet sind.

7. Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 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. 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.