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Verfahren und Einrichtung zur Untersuchung fertiger technischer Gebilde,
wie Brücken, Schiffe, Türme, in ihrem Gebrauchszustand hinsichtlich ihres dynamischen
Verhaltens Nach dem Verfahren des Hauptpatents 584553 zur Untersuchung fertiger
technischer Gebilde dient die Wirkung periodischer Kräfte, von einstellbarer Frequenz,
einstellbarer Größe und beliebig wählbarem Angriffspunkt und Angriffsrichtung auf
das betreffende technische Gebilde als Charakteristik für dessen Eigenschaften.
Ferner werden danach zur Durchführung von entsprechenden Messungen, z. B. zur allmählichen
Steigerung der Umdrehungszahl des Antriebsmotors einer Kombination von exzentrisch
gelagerten Massen durch Regelorgane, die sich einstellenden Erscheinungen in Abhängigkeit
von der Umdrehungszahl in Form einer Resonanzkurve dargestellt. Dieses Meßverfahren
hat jedoch in manchen Fällen gewisse Nachteile, die hauptsächlich darin begründet
sind; daß durch der Regelvorgang Eingriffe von außen in den Ablauf der Messungen
gebracht werden und daß ferner bei sehr schwach gedämpften Gebilden die Aufnahme
der Resonanzkurve einige Schwierigkeiten bereitet. Diese Schwierigkeiten machen
sich störend bemerkbar, wenn z. B. bei der terminmäßigen Prüfung von Brücken ein
genaues, von menschlichem Zutun unabhängiges Bild erforderlich wird, wobei die kennzeichnenden
Vorgänge möglichst automatisch aufzuzeichnen sind.
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' Vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem Meßverfahren, das
die gekennzeichneten Mängel beseitigt, und mit einer Einrichtung zur Ausübung desselben.
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Gemäß der Erfindung wird in der Meßeinrichtung ein bestimmter Arbeitsvorrat
aufgespeichert, der nach Abschalten der Kraftquelle nunmehr sich völlig überlassen
wird, so daß die sich ergebenden Erscheinungen eine ungestörte Charakteristik des
Gebildes ergeben. Praktisch kann dies so ausgeführt werden, daß z. B. die in dem
Hauptpatent beschriebene Wuchtmassenanordnung auf eine bestimmte Umdrehungszahl
durch den Antriebsmotor gebracht wird, hierauf die antreibende Kraft des Motors
abgeschaltet wird und die sich ergebenden Auslaufvorgänge als Charakteristik für
das technische Gebilde aufgenommen werden. Die in den umlaufenden Massen der Meßeinrichtung
aufgespeicherte Energie muß hierbei so gewählt
werden, daß eine
sichere und genügend lang andauernde Erregung im Resonanzbereich gewährleistet ist.
Es wird deshalb vorteilhaft noch ein besonderer Arbeitsspeicher in Form eines Schwungrades
vorgesehen.
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Zweckmäßig wird ferner der Antriebsmotor als Generator schaltbar eingerichtet
und die vom Generator abgegebene Leistung durch an sich bekannte Mittel gemessen.
Hierbei kann gleichzeitig beispielsweise durch einen regelbaren Widerstand die vom
Generator abzugebende Leistung so eingestellt werden, daß eine beliebige Beeinflussung
des Auslaufvorganges möglich wird.
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Das Aufspeichern eines bestimmten Arbeitsvorrates ist bei Materialprüfmaschinen,
bei welchen der Auslaufvorgang unter allmählicher Verzehrung der aufgespeicherten
Energie zur Untersuchung eines Probestabes dient, an sich bekannt. Bei den bekannten
Einrichtungen dieser Art wird jedoch der Probestab nach Abschalten des Antriebes
sich selbst überlassen. Demgegenüber bleibt beim Erfindungsgegenstand die Erregung
des zu untersuchenden Gebildes auch nach dem Abschalten des Antriebes bestehen.
Auch ist die Schaltung eines Antriebsmotors als Generator zum Zwecke bestimmter
Messungen an sich bekannt. Für den hier vorliegenden Zweck ist sie jedoch noch nicht
vorgeschlagen worden.
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In Abb. i ist eine derartige Einrichtung schematisch gezeichnet, Abb.
2 versinnbildlicht eine besondere Form der Messung als Ausführungsbeispiel. In Abb.
i stellt i eine exzentrisch gelagerte Masse dar, die durch den Motor 2 über ein
Zahnradgetriebe in Umdrehung versetzt wird. Auf der Achse des Motors befindet sich
ein Schwungrad 3. Die ganze Anordnung ist auf dem zu untersuchenden Gebilde aufgestellt.
Wird nun durch den Elektromotor 2 die Anordnung auf eine bestimmte Tourenzahl gebracht,
die den jeweiligen Verhältnissen anzupassen ist, und der Motor abgeschaltet, so
vermindert sich allmählich die Umdrehungszahl der Anordnung unter Verzehrung der
in den umlaufenden Massen aufgespeicherten Energie bis zum Stillstand.
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Das Abschalten des Motors kann hierbei etwa durch eine Kupplung erfolgen
oder auch durch Trennung des Motors von der Spannung.
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Stellt man zunächst die Anordnung auf eine starre Unterlage, so ergeben
sich Auslaufkurven, die in verschiedener Weise aufgenommen werden können. In Abb.
2 bedeutet a eine solche Kurve, bei der z. B. als Abszisse die Zeit t, als Ordinate
die Umdrehungszahl c) aufgetragen ist. Die Reibungsverhältnisse der Anordnung bedingen
durch ihren Arbeitsverbrauch eine bestimmte Auslaufkurve. Wird nun die Anordnung
auf das elastische Gebilde gestellt, so treten Erscheinungen gemäß Kurve b auf.
Zunächst ist der Abfall der Umdrehungsgeschwindigkeit genau so groß wie bei einer
starren Unterlage, da bei hohen Tourenzahlen das Gebilde als starr wirkt. Sobald
sich jedoch die Umdrehungszahl einer kritischen Eigenschwingung des Gebildes nähert,
wird das Gebilde zu allmählich immer mehr anwachsenden Schwingungen erregt. Hierbei
tritt ein zusätzlicher Arbeitsverbrauch auf, der sich in einem stärkeren Abfall
der Umdrehungszahl der Einrichtung bemerkbar macht. Nach Überschreitung des kritischen
Resonanzbereiches biegt die Kurve in einen Wendepunkt allmählich in die Richtung
des ursprünglichen Verlaufs ein.
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Um die Meßeinrichtung den verschiedenen Bedingungen anzupassen und
eine unnötige Verlängerung der Versuche zu vermeiden, wird die Einrichtung vorteilhaft
so getroffen, daß die ungestörte Auslaufkurve in ihrer Neigung beeinflußt werden
kann. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß der Antriebsmotor nach dem Anwerfen
der Einrichtung als Generator umgeschaltet wird, wobei die abgegebene Leistung des
Generators durch in der Elektrotechnik geläufige Mittel einstellbar gemacht wird.
Wird z. B. der Anker des Motors auf einen regelbaren Widerstand geschaltet, so ist
damit die Möglichkeit gegeben, die Neigung der Auslaufkurve beliebig zu beeinflussen.
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Nachdem die Einrichtung angeworfen ist, kommt durch das .beschriebene
Meßverfahren zwangläufig die zu untersuchende Charakteristik zum Ablauf, ohne Beeinflussung
von außen. Damit ist aber auch die Möglichkeit einer leichteren automatischen Aufzeichnung
der kennzeichnenden Daten gegeben. In dieser Hinsicht besteht eine große Anzahl
von Meßmöglichkeiten. Es kann z. B. die Schwingungsamplitude in Abhängigkeit von
der jeweiligen Frequenz aufgenommen werden. Eine weitere Anordnung besteht darin,
die Umdrehungszahl in Abhängigkeit von der Zeit aufzunehmen, wie dies in Abb. 2
dargestellt ist. Eine derartige Kurve kann durch verhältnismäßig einfache Mittel
automatisch gewonnen werden. Das Schreibband wird hierbei durch ein Uhrwerk in Gang
gesetzt, während die Umdrehungszahl durch eine geeignete Meßeinrichtung aufgezeichnet
wird. Besonders einfach ist es, die Spannung des als Generator geschalteten Antriebsmotors,
die von der Umdrehungszahl abhängt; in Umdrehungszahlen zu eichen, so daß eine automatische
Fernregistrierung gegeben ist. Es kann aber auch irgendeine Tachometervorrichtung
mit Fernregistrierung vorgesehen werden.
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Da es bei terminmäßigen Kontrollmessungen z. B. von Brücken zunächst
genügt, eine Abweichung des Verhaltens der Brücke gegenüber der letzten Messung
festzustellen, können die beschriebenen einfachen Kurven bereits als
ausreichende
Darstellung der charakteristischen Eigenschaften dienen. In ihnen kommen Veränderungen
des dynamischen Verhaltens in einem verschiedenen Ablauf der Kurve zur Geltung.
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In manchen Fällen ist es jedoch wünschenswert, eine eigentliche Resonanzkurve,
insbesondere die Abhängigkeit des Wattverbrauches des Gebildes beim Schwingen in
Abhängigkeit von der Frequenz zu gewinnen. Die gesamte in der rotierenden Anordnung
aufgespeicherte Energie ist proportional mit dem Trägheitsmoment der rotierenden
Massen und dem Quadrat ihrer Winkelgeschwindigkeit. Trägt man also in Abb. a statt
der Umdrehungszahl deren Quadrat auf, so ergibt jeder Punkt die jeweils in der Anordnung
steckende Energie. Die Differenz des Energievorrats zwischen dem ungestörten Auslaufversuch
und dem gestörten mißt also die insgesamt zur Erzeugung der Schwingungen verbrauchte
Energie. Es sei der Einfachheit halber angenommen, daß in die Kurven a und
b bereits in Abhängigkeit von der Zeit das Quadrat der Umlaufgeschwindigkeit
als Ordinate aufgetragen ist; dann ergeben die Abschnitte der Ordinaten ohne weiteres
ein Maß für die insgesamt verbrauchte Energie zur Erzeugung der Schwingungen. Im
Anfang des Auslaufversuches ist diese Differenz gleich Null, wächst dann allmählich
an, um schließlich einen konstanten Wert anzunehmen, wenn der kritische Resonanzbereich
durchschritten ist. Trägt man nun diese Differenz in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl
auf, so ergibt sich eine Kurve, aus der die schwingungstechnischen Daten, wie Eigenfrequenz,
Dämpfung, entnommen werden können, worauf hier nichtnäher eingegangen zu werden
braucht.
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Die beschriebenen Kurven des Arbeitsvorrates können durch Rechnungsoperation
aus der Kurve für die Umlaufzahl gewonnen werden. Sie können aber auch unmittelbar
durch geeignete Anordnungen zur Aufzeichnung gelangen. Wird in der oben beschriebenen
Weise der Antriebsmotor als Generator geschaltet, so ist die von ihm gelieferte
Spannung proportional mit der Umdrehungszahl. Die von dem Generator in dem Bremswiderstand
aufgebrachte Leistung ist proportional mit dem Quadrat der Spannung. Durch Messung
dieser Leistung, etwa mit einem Wattmeter, werden also unmittelbar die Auslaufkurven
für den jeweiligen Arbeitsvorrat erhalten.