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Dauerprüfmaschine für Wechselbeanspruchung Die Erfindung bezieht sich
auf Dauerprüfmaschinen, mit denen das zu untersuchende Material einer Beanspruchung
mit periodisch wechselnder Richtung unterworfen wird und die Wechselkräfte durch
zwei Elektromagnete oder Magnetgruppen erzeugt werden, deren Stromkreise im Takt
der beabsichtigten Wechselbeanspruchung ein- und ausgeschaltet werden.
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Es war bisher üblich, den Stromkreis der Elektromagnete durch mechanische
Kontakte ein- und auszuschalten, welche unmittelbar von dem zu prüfenden Stab während
seiner schwingenden Bewegung gesteuert werden. Bei Prüfmaschinen größerer Leistung
stößt man jedoch mit dieser Steuerungsart auf Schwierigkeiten; denn die umzusteuernden
Ströme der Magnetspulen sind so groß, daß die Kontakte in kurzer Zeit zerstört werden,
und außerdem fehlt die Möglichkeit, in den Umschaltvorgang während des Betriebes
steuernd oder regelnd einzugreifen.
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Es ist nahel,iegend, derartige Schwierigkeiten bei der Schaltung des
Magnetstromes dadurch zu vermeiden, daß man statt der mechanischen Kontakte steuerbare
Entladungsstrecken verwendet. Diese lassen sich aber für den vorliegenden Zweck
nicht ohne weiteres benutzen. Entladungsstrecken mit reiner Elektronenentladung
scheiden schon deshalb aus, weil sie kaum imstande sind, die zur Magneterregung
erforderlichen starken Ströme zu führen. Entladungsstrecken mit Gas- oder Dampffüllung
und lichtbogenartiger Entladung können zwar für beliebig starke Ströme ausgeführt
werden, haben aber die Eigenschaft, daß ihre Entladung durch Gittersteuerung zwar
gezündet, nicht aber wieder gelöscht werden kann. Die Löschung von Gas- oder Dampfentladungsstrecken
ist vielmehr nur dadurch möglich, daß die Anodenspannung vorübergehend zum Verschwinden
gebracht wird. Eine Unterbrechung des Anodenstromkreises, womit man dieses Verschwinden
der Anodenspannung erzielen könnte, kommt hier aber auch nicht in Betracht, da ja
dann wiederum die Kontaktschwierigkeiten erstehen würden.
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Gemäß der Erfindung wird bei Dauerprüfmaschinen für Wechselbeanspruchung
mit zwei abwechselnd erregten Elektromagneten, deren Erregerstromkreis durch als
Relais wirkende Entladungsröhren mit Steuergitter . geschaltet werden, in jeden
Erregerstromkreis der Magnete eine Gas- oder Dampfentladungsröhre mit lichtbogenartiger
Entladung eingeschaltet, und die Entladungsstrecken werden anodenseitig durch einen
Kondensator miteinander verbunden, der nach dem Abschalten der Steuerspannung jeweils
die Entladung unterbricht. Die Erfindung hat, abgesehen von der Vermeidung von Kontaktschwierigkeiten,
auch noch den Vorteil, daß bei der indirekten Steuerung die Möglichkeit gegeben
ist, in den Gitterkreis der Entladungsstrecken Vorrichtungen einzuschalten, durch
die der Zeitpunkt der durch den schwingenden Stab vorgenommenen Schalthandlung
in
seiner Phase gegenüber dem Zeitpunkt; in dem der Stromkreis der Elektromagnete durch
die Entladungsstrecken umgesteuert wird, verschoben werden kann. Vi:e@. Entladungen
der Strecken werden bei zier Antriebsanordnung nach der Erfindung ah=. wechselnd
im Takte der zu erzeugenden Schwingungen durch entsprechende Gitterbeaufschlagung
gezündet. Der die Anoden der Entladungsstrecken verbindende Kondensator wird dabei
während der Stromführungsdauer einer Entladungsstrecke jeweils aufgeladen und beim
Zünden der anderen Entladungsstrecke wieder entladen, wobei sein Entladestrom dem
Strom in der abzulösenden Entladungsstrecke entgegengesetzt gerichtet ist, an dieser
also die Spannung zum Zusammenbrechen bringt und sie somit löscht.
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Die die Gitterspannung der Entladungsstrecken steuernde und im Takte
der zu erzeugenden Schwingungen betätigte Schaltvorrichtung wird zweckmäßig in der
Weise wie es für elektromagnetisch angetriebene Dauerprüfmaschinen an sich bereits
bekannt ist, unmittelbar mechanisch durch den zu prüfenden Stab selbst in schwingende
Bewegung versetzt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, zur Steuerung eine von
dem schwingenden Stab unabhängige Schaltvorrichtung zu verwenden, also beispielsweise
eine Schaltvorrichtung, deren Schwingungszahl durch die Frequenz eines Wechselstromnetzes
gegeben ist. Bei solchen Anordnungen kann mori den Gitterkreis der Entladungsstrecken
auf rein elektrischem - Wege periodisch steuern, so däß mechanisch schwingende und
der Abnutzung unterworfene Kontaktvorrichtungen vollständig vermieden sind. Zwischen
das Wechselstromnetz gegebener Frequenz und die Steuervorrichtung können dann erfindungsgemäß
noch Hilfseinrichtungen, beispielsweise in Form umlaufender Hilfsinaschinen, geschaltet
sein, durch die die gegebene Frequenz in diejenige Frequenz umgeformt wird, welche
für die Steuerung der Prüfmaschine erforderlich ist.
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In der Zeichnung ist in Fig. i der grundsätzliche Aufbau der Schaltung
einer Antriebsordnung nach der Erfindung dargestellt-. Die den Prüfstab in schwingende
Bewegung versetzenden Kräfte werden von einer Magnetanordnung i erzeugt, welche
aus vier einzelnen Magnetspulen besteht, von denen die Spulen i i und 12 in der
einen Richtung und die Spulen 13 und 14 in der anderen Richtung wirken. je zwei
Spulen sind-hintereinandergeschaltet und mit ihrem einen Ende an den Pluspol der-
Gleichstromquelle .2 angeschlossen, wobei zweckmäßig noch ein regelbarer Widerstand
3 vorgeschaltet ist: Das andere Ende der beiden Spulengruppen liegt an je einer
Anode eines gas- oder dampfgefüllten Entladungsgefäßes 4., dessen Kathode an den
Minuspol der Gleichstromquelle 2 angeschlossen ist. Zwischen den bei-@elen Anoden
des Entladungsgefäßes liegt ein Kondensator 5; der in der oben geschilderten Weise
zum Löschen der Entladungsstrecke dient. Zu beiden Spulengruppen i 1, 12 und 13,
14 sind Widerstände 6 und 7 parallel geschaltet, um für größere Frequenzbereiche
einen stabilen Betrieb der Entladungsstrecken zu erhalten. Durch die parallel geschalteten
Ohmschen Widerstände wird dafür gesorgt, daß die Indnkt'ivität der Magnetspulen
einen geringeren Prozentsatz an dem insgesamt im Stromkreis der Entladungsstrecken
liegenden Widerstand darstellt.
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Zu den Anoden der beiden Entladungsstrecken des Entladungsgefäßes
q. ist ein Transformator 15 parallel geschaltet, dessen Nullpunkt mit dem positiven
Pol der Gleichstromquelle 2 verbunden ist. Durch den Transformator wird erreicht;
daß der Kondensator 5 jeweils etwa auf die doppelte Gleichspannung aufgeladen wird.
Durch Vorwiderstände 16 wird verhindert, daß der Transformator 15 unzulässig hohe
zusätzliche Belastung aufnimmt. Der Transformator 15 kann dabei gleichzeitig zum
Speisen von zusätzlichen Verbrauchern, insbesondere von Meßinstrumenten, wie beispielsweise
Frequenzmessern, 17 verwendet werden.
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Die Steuergitter der beiden Entladungsstrecken sind elektrisch mit
einer in der Zeichnuilg schematisch angedeuteten Steuervorrichtung 8 verbunden,
durch die das Potential der Steuergitter im Takt der gewünschten Umschaltungen gesteuert
wird.
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Die wichtigste Ausführungsform für die im Gitterkreis der Entladungsgefäße
liegende Steuervorrichtung ist diejenige, bei der die Vorrichtung durch den schwingenden
Stab selbst betätigt wird. Der Stab kann in Anlehnung an die bekannten Dauerprüfmaschinen,
bei denen im Stromkreis der Elektromagnete selbst ein- und ausgeschaltet wird, mit
Kontakten oder Schaltern mechanisch verbunden sein, durch die das Gitterpotential
periodisch umgesteuert wird. Zwei grundsätzliche Schaltungen für den Gitterkreis
sind in den Fig. 2 und 3 der Zeichnung angegeben. Bei der Anordnung nach Fig.2 ist
an dem schwingenden Stab 2o eine Kontaktzunge 21 befestigt, welche zwischen zwei
ruhenden Kontakten 22 und 23 hin und her schwingt. Die Kontakte 22 und 23 sind je
mit einem der beiden Steuergitter des Entladungsgefäßes in der Schaltung nach Fig.
i elektrisch verbunden. Die Kontaktzunge 21 liegt an dem Pluspol einer Gitterspannüngsquelle,
so daß
die beiden Steuergitter abwechselnd an ein positives Gitterpotential
angeschlossen und dadurch die für die Zündung notwendige Änderung des Gitterpotentials
erhalten. Zweckmäßig sind die beiden Steuergitter noch über Vorwiderstände ad.,
25 dauernd an eine negative Gitterspannungsquelle angeschlossen, der die zum Zünden
dienenden positiven Steuerimpulse überlagert werden.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 liegen die beiden Steuergitter und mit
ihnen die ruhenden Kontakte 26 und 27 über Vorwiderstände 28 und 29 an einer positiven
Gitterspannungsquelle. An dem Prüfstab 3o sind zwei Kontaktzungen 31 und 32 befestigt,
die an eine negative Gitterspannungsquelle angeschlossen sind und beim Hin undherschwingen
abwechselnd das eine und das andere Steuergitter von dieser Spannungsquelle trennen.
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Die in den Fig. 2 und 3 angegebenen Kontaktzungen, die an dem schwingenden
Stab befestigt sind, sind nur als Ausführungsbeispiel anzusehen. Man kann auch eine
Anordnung wählen, bei der an dein schwingenden Stab zwei Kontakte befestigt sind,
die auf einer Kontaktschiene hin und her gleiten und bei dieser Gleitbewegung abwechselnd
mit ruhenden Kontaktstücken in Verbindung gebracht werden, die wie die Kontakte
22, 23 bzw. 26, 27 der Fig. 2 und 3 geschaltet sind.
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Die in den Fig.2 und 3 dargestellten, mit mechanischer Kontaktunterbrechung
arbeitenden Steuervorrichtungen können auch durch rein elektrisch, d. h. ohne mechanische
Kontaktunterbrechung arbeitenden Steuervorrichtungen ersetzt werden, die direkt
von dem schwingenden Stab mechanisch gesteuert werden. Zu dem Zweck wird durch den
schwingenden Stab periodisch eine Zustandsgröße eines Magnetkreises geändert und
dadurch ein Induktionsspannungsstoß erzeugt, der auf den Gitterkreis der beiden
Entladungsstrecken übertragen wird. An dem schwingenden Stab können beispielsweise
zwei Magnetspulen angebracht sein, auf deren Magnetkreis ein gegenüber dem schwingenden
Stab stillstehender Dauermagnet einwirkt. Bei den Bewegungen der Magnetspule ändert
sich der Magnetfiuß der beiden Spulen, so daß in den Spulen ein Spannungsstoß induziert
wird. Umgekehrt kann auch der Dauermagnet an dem schwingenden Stab befestigt sein,
wobei dann die beiden Magnetspulen ruhend angeordnet sind. Bei der Anordnung mit
stillstehendem Dauermagneten kann dessen Funktion auch durch die Antriebsmagnete
der Prüfmaschine übernommen werden.
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Eine andere Möglichkeit einer magnetischen Steuerung besteht darin,
daß an dem schwingenden Stab ein Stück magnetischen Materials, vorzugsweise Eisen,
befestigt ist, welches einen Teil eines Magnetkreises bildet, welcher induktiv mit
dem Gitterkreis der Entladungsstrecken gekoppelt ist. Das beweg-1'iche Stück des
Magnetkreises schwingt in senkrechter Richtung zu der Ebene, in der die übrigen
Teile des Magnetkreises liegen und ändert dadurch periodisch die magnetische Leitfähigkeit
des Kreises.
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Will man die unmittelbare Steuerung des Gitterkreises der Entladungsstrecken
in Abhängigkeit von den schwingenden Bewegungen des Prüfstabes beibehalten, trotzdem
aber den schwingenden Stab selbst von mechanisch bewegten Steuerungsteilen möglichst
entlasten, so läßt sich dies gemäß der Erfindung durch eine mit strahlungsempfindlichen,
insbesondere lichtempfindlichen Zellen arbeitende Steuerungseinrichtung erreichen.
An dem schwingenden Stab brauchen zu dein Zweck nur Spiegel angebracht zu werden,
welche das Licht einer ruhenden Lichtquelle reflektieren und im Takte der Stabschwingungen
den Belichtungszustand einer lichtempfindlichen, elektrischen Zelle periodisch ändern.
Die elektrische Zelle ist entweder direkt oder unter Zwischenschaltung bekannter
Verstärkungseinrichtungen mit den Steuergittern der Gas- oder Dampfentladungsstrecken
derart verbunden, daß deren Gitterpotential im gleichen Takt wie der Belichtungszustand
der elektrischen Zellen geändert wird.
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Es wurde bereits erwähnt, daß ein wichtiger Vorteil der Erfindung
darin besteht, daß der Schwingungs- oder Schaltvorgang der Entladungsstrecken und
mit ihnen der zum Antrieb dienende Elektromagnet in seiner Phase gegenüber der Schwingung
des zu priifenden Stabes verschoben werden kann. Es hat sich nämlich bei Prüfmaschinen,
bei denen der Stromkreis der Elektromagnete unmittelbar durch den schwingenden Stab
geschaltet wird, gezeigt, daß eine Steigerung der Leistung erreicht wird, wenn eine
Phasenvoreilung zwischen der Schaltbewegung, die durch den schwingenden Stab ausgelöst
wird, und dem Schaltvorgang in den Entladungsgefäßen vorgenommen wird. Die für die
Phasenänderung zur Verfügung stehenden Mittel hängen von dem Steuerungsverfahren
ab, welches für die Entladungsgefäße verwendet wird. Am zweckmäßigsten sind rein
elektrisch wirkende Anordnungen, bei denen veränderliche Kapazitäten oder Induktivitäten
verwendet werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, durch mechanische Einwirkung
auf die an dem schwingenden Stab befestigten Kontakte das gleiche Ziel zu erreichen.
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Eine weitere Vervollkommnung des Erfindungsgegenstandes besteht darin,
daß der
Schwingungsvorgang während der Prüfung überwacht wird, und
daß Änderungen der Schwingungen, insbesondere Änderungen der Schwingungsamplituden,.
selbsttätig auf den Steuervorgang derart einwirken, ,daß unabhängig von Änderungen,
die während der Prüfung an dem Prüfstab vor sich gehen; dauernd der gleiche Schwingungszustand,
insbesondere die gleiche Schwingungsamplitude, aufrechterhalten wird. Es liegen
dabei folgende Erkenntnisse zugrunde: Die meisten Werkstoffe besitzen bei Beanspruchungen
in der Größenordnung ihrer Wechselfestigkeit eine merkliche Dämpfung. Diese Dämpfung
ist in einem Dauerversuch bei unveränderlicher Spannung im allgemeinen zeitabhängig.
Bei Beginn des Versuchs steigt die Dämpfung an, wenn sie nach Erreichen eines Höchstwertes-absinkt
und schließlich, falls die Wechselfestigkeit bei der angewandten Spannung nicht
überschritten wird, einen Dauerwert annimmt. Wenn man bei einer in Resonanz betriebenen
Maschine die Größe des Impulses unverändert hält, dann verändert sich die Größe
der Verformung und der Beanspruchung im Laufe des Versuchs im Vergleich mit der
Dämpfung im umgekehrten Sinne. Diese Erscheinung ist unerwünscht, man muß vielmehr
bestrebt sein, während des Versuchs die Spannung des Stabes unverändert zu lassen.
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Die Schwingungsamplitude kann entweder dadurch geändert werden, daß
die Größe des Erregerstromes der Elektromagnete geändert wird, die die Antriebskraft
für den schwingenden Stab liefern, oder dadurch, daß die Phasenlage zwischen der
Schwingung des Stabes und dem Ein- und Ausschalten der Elektromagnete verändert
wird. Für beide Regelvorgänge stehen aus der Regeltechnik bekannte Schaltungen in
großer Zahl zur Verfügung.
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Als Kriterium für die notwendige Einwirkung auf den Schaltvorgang
kann man entweder direkt die Schwingungsamplitude des Prüfstabes verwenden, oder
aber man schaltet mit dem zu prüfenden Stab einen zweiten Stab in Reihe und benützt
die in diesem Stab vor sich gehenden Zustandsänderungen für die Steuerung: Werkstoff
und Ouerschnitt des zweiten Stabes werden derart gewählt, daß seine Beanspruchung
so niedrig ist; daß eine Dämpfung praktisch nicht eintreten kann. An dem zweiten
Stab wird die Spannung, d. h. die mechanische Beanspruchung; gemessen, und es wird
die Höhe des auf den Prüfstab ausgeübten Impulses derart gesteuert, daß die anfänglich
eingestellte Beanspruchung des Zusatzstabes während des Versuchs unverändert bleibt.
--Die Spannung im Prüfstab wird dann ebenfalls unveränderlich bleiben. Ein besonders
zweckmäßiges Mittel zur Messung der Spannung des mit dem Prüfstab in Reihe geschalteten
zweiten Stabes besteht darin, daß die Änderung des magnetischen Zustandes des zweiten
Stabes ausgenutzt wird. Es gibt bekanntlich Materialien, die die Eigenschaft haben,.
daß ihre magnetische Leitfähigkeit mit der mechanischen Beanspruchung veränderlich
ist. Schaltet man daher den Prüfstab in den Magnetkreis einer Induktivität, so wird
diese Indüktivität mit der Spannung des Stabes verändert, und die Induktivität kann
daher in an sich bekannte Meßschaltungen eingefügt werden, die ihrerseits auf die
Steuerung der Schaltung der Entladungsgefäße bzw. auf die Größe des in dem Antriebsmagneten
fließenden Stromes einwirken. Der mit dem schwingenden Prüfstab gleichzeitig schwingende
zweite Stab ist nur eine mögliche Ausführungsform und kann unter Beibehaltung des
Prinzips der Messung auch durch andere Anordnungen ersetzt werden. So kann man beispielsweise
den schwingenden Stab in ein Klemmfutter einspannen, dessen Futterbacken aus dem
Material bestehen, dessen magnetische Leitfähigkeit sich mit der mechanischen Beanspruchung
des zu prüfenden Stabes ändert. In jedem Falle kommt es darauf an, daß mit dem schwingenden
Stab ein Stück magnetischen Materials mechanisch verbunden ist, und daß beide Materialien
relativ zueinander dauernd in gleicher Weise beansprucht werden.
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Bei der Bemessung der zu der Prüfmaschine gehörigen Teile muß noch
auf den Anlaßvorgang Rücksicht genommen werden. Der einfachere Weg für das Anlassen
besteht darin, daß die mit dem Prüfstab verbundenen Kontakte bzw. Kontaktzungen
durch äußeren Eingriff in schwingende Bewegung versetzt werden, so daß sich die
Maschine dann selbsttätig einschwingt. Um diesen Vorgang zu erleichtern, wird die
Eigenschwingungszahl der mit dem Prüfstab verbundenen Kontaktvorrichtung etwa derjenigen
des zu prüfenden Stabes selbst gleichgemacht.