-
Dynamisch wirkende Prüfmaschine zur Prüfung von Probestäben und ganzen
Konstruktionsteilen unter schwingender Zug-Druck-Beanspruchung Die Ermittlung der
Dauerfestigkeit von Probestäben und ganzen Konstruktionsteilen unter Einwirkung
von periodisch veränderlichen Zug- und Druckkräften, die in ihren eingestellten
Belastungsgrenzen während der Versuchsdauer gleichbleibend gehalten werden, erfolgte
bisher in der Hauptsache auf sogenannten Pulsatormaschinen, bei denen die Wechselkräfte
durch Drucköl hervorgebracht werden. Auch solche mit einem doppelt wirkenden Arbeitszylinder
ausgerüstete Prüfmaschinen wurden hierfür bereits benutzt, die durch gespannte Gase
angetrieben werden. Es ist jedoch bisher nicht gelungen, bei diesen Prüfmaschinen,
sofern große Kräfte in Betracht kommen, die minutliche Zahl der Belastungsperioden
(Lastfrequenz) im Dauerbetrieb auf mehr als etwa 6oo bis iooo zu steigern.
-
Um nun bei mit gespannten Gasen betriebenen Schwingungsprüfmaschinen
eine Erhöhung der Lastfrequenz auf 3ooo bis 6ooo/min zu erreichen, ist gemäß der
Erfindung für jeden der beiden Druckräume des doppelt wirkenden Arbeitszylinders
ein das gespannte Gas enthaltender Hochdruck- und ein Niederdruckbehälter vorgesehen,
die mit den Druckräumen durch eine Steuerung abwechselnd verbunden werden. Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Druckschwankungen in den beiden
Druckräumen des Arbeitszylinders auch durch Kolbenverdichter bewirkt werden, deren
Zylinder sowohl mit den Druckräumen des Arbeitszylinders als auch zwecks Steuerung
der Lastgrenzen zu Beginn des Hubs mit je einem Druckbehälter verbunden sind.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Prüfmaschine gemäß der Erfindung ist in
Abb. i im Längsschnitt dargestellt, während Abb. 2, 3 und q die wichtigsten Querschnitte
zeigen. Abb.5 und 6 stellen je eine Anordnung zur Steuerung der periodischen Druckschwankungen
dar.
-
In Abb. i ist der Prüfstab a am einen Ende an den elastischen Kraftmesser
b, am anderen Ende an die mit den Kolben d und e ausgerüstete Kolbenstange c angeschlossen.
Die Messung der elastischen Längenänderungen des in bekannter Weise als Stahlstab
oder Stahlrohr ausgebildeten Kraftmessers und damit die Bestimmung der im Prüfling
herrschenden Zug-Druckkräfte erfolgt in ebenfalls bekannter Weise mittels Drehspiegel
und Lichtzeiger, mittels mikroskopischer Beobachtung oder mit elektrischen Hilfsmitteln.
-
Die Erzeugung der Zug- und Druckkräfte erfolgt durch die Kolben d
und e, die gegen den Arbeitszylinder durch beiderseits fest auf die Metallteile
aufvulkanisierte federnde Gummischichten h, i und l abgedichtet sind.
-
Die betriebssichere Dichtung der Kolben der Piüfmaschine mit Hilfe
von Kolbenringen ist so gut wie ausgeschlossen, da diese sich bei den oft nur Bruchteile
von Millimetern betragenden Hüben sehr rasch in die Zylinderwandung einarbeiten
oder, falls der Zylinder aus gehärtetem oder nitriertem Stahl besteht, rasch
abnutzen.
Das Arbeiten mit eingeschliffenen Kolben ist bei Verwendung von gespannten Gasen
ebenfalls nicht mit Erfolg da hierbei dieselben Abnutzungsschwierigkeiten auftreten
und eine ausreichende Dichtutg nicht erzielt werden kann. Dagegen geunkt. die Lösung
in einfacher und betriebssicheren" Weise, wenn man gemäß Abb. z auf jeder: Seite
des Arbeitszylinders einen Stahlring aufschraubt und zwischen diesem und- dem Kolben
eine Gummischicht anbringt, die in der aus Abb. z ersichtlichen Weise auf beide
Teile aufvulkanisiert ist. Diese Gummischicht vermag sich um die erforderlichen
Hübe (es handelt sich praktisch um Hübe bis zu :L 2 bis 3 mm) elastisch durchzubiegen
und erleidet bei richtiger Bemessung keinerlei Ermüdung oder Verschleiß. Bei genügender
Dicke vermag sie auch ohne weiteres dem hohen Druck im Zylinder. (meist nicht über
zoo at) standzuhalten.
-
Die Kolbenstange c, welche die Einspannvorrichtung für den Prüfstab
trägt, wird an ihren Enden durch Membranen k in Richtung der Prüfstabachse reibungsfrei
geradegeführt und genau zentriert. Auch bei ihr wird die Dichtung durch eine federnde
Gummischicht l bewirkt; die einerseits auf die Kolbenstange, anderseits auf eine
in den Zylinder eingesetzte Büchse m aufvulkanisiert ist.
-
Der Abstand der beiden Einspannvorrichtungen voneinander muß in weiten
Grenzen veränderlich sein. Zu diesem Zweck wird der Kraftmesser b in einem
Schlitten n angeordnet, in dem das freie Ende des Kraftmessers durch eine
Membran o geführt ist und der in Gleitführungen p des Maschinengestells verschiebbar
ist. Die Verschiebung wird durch die Spindel q bewirkt, und zwar in der üblichen
Weise mittels Schneckengetriebes y. Im Dauerbetrieb wird das Schneckengetriebe dadurch
entlastet, daß auf der Spindel q die Gegenmutter s festgezogen wird, so daß die
Kräfte unmittelbar in das Gestell der Maschine gelangen.
-
Das Maschinengestell ist so steif konstruiert, daß keine störenden
Nebenschwingungen auftreten. Dies wird dadurch erreicht, daß -alle Teile, besonders
die Grundplatte t und der obere Verbindungsholm u, so bemessen werden, daß ihre
Eigenschwingungszahl wenigstens doppelt so hoch liegt wie die Betriebsschwingungszahl
der Maschine. Im übrigen wird die ganze Maschine z. B. durch Aufstellen auf Gummipuffer
oder Federn v in bekannter Weise schwingungsisoliert.
-
Zu jeder der beiden Zylinderseiten I und I1 (Abb. 5) gehört
ein Hochdruck- und ein Niederdruckbehälter. Die Hochdruckbehälter III und V werden
durch Regelventile auf den oberen, die. Niederdruckbehälter IV und VI durch
ebensolche Ventile auf den unteren Wert des Druckes gehalten, der notwendig ist,
um die von den zugehörigen Kolben auf den Prüfstab ausgeübten Kräfte zwischen den
,gewünschten Grenzwerten periodisch schwanken lassen. Die beiden Zylinderseiten
werden dabei vorzugsweise so geschaltet sein, daß U Höchstspannung auf der Zylinderseite
I, I'geren Kolben den Prüfstab auf Druck beansprucht, stets in dem gleichen Augenblick
auftritt, in dem die Zylinderseite II, deren Kolben die Zugbeanspruchung im Prüfstab
hervorbringt, die niedrigste Spannung aufweist.
-
Die Hochdruckbehälter III und V werden fortlaufend durch einen Verdichter
aufgeladen. Die beiden Seiten I und II des doppelt wirkenden Zylinders werden
durch eine Steuerung, z. B. eine Ventilsteuerung, deren Nockenwelle mit einer der
gewünschten Lastwechselfrequenz entsprechenden Drehzahl zweckmäßig durch einen Elektromotor
in Drehung versetzt wird, im Rhythmus des Lastwechsels abwechselnd mit dem zugehörigen
Hochdruck- und Niederdruckbehälter verbunden. Dann wird die von den Kolben auf den
Prüfstand ausgeübte Kraft in dem durch die Steuerung vorgeschriebenen Rhythmus zwischen
zwei Grenzwerten pendeln, die den in den Behältern herrschenden Drücken entsprechen.
-
Die Steuerung kann, wie in Abb. 5 dargestellt, durch Ventile
a', b', die mittels Nocken e', d' betätigt werden, durch umlaufende
Rundschieber oder durch eine der sonstigen bekannten Steuerungsarten erfolgen: Die
Hoch-und Niederdruckbehälter sind derart zu bemessen, daß sie das Vielfache, z.
B. das zoobis Zoofache Volumen der Räume des Arbeitszylinders einschl. aller zugehörigen
Räume in den Zuleitungen, dem Ventilkasten usw., aufweisen.
-
Die in Abb. 5 dargestellte Antriebsordnung hat den Vorteil der Einfachheit
und Übersichtlichkeit. Es ist ferner ein Vorzug, daß zu ihrem Betrieb nur eine normale
Verdichtungsanlage erforderlich ist.
-
Allerdings verbraucht sie verhältnismäßig viel Energie, da bei jedem
Hub die aus dem Hochdruckbehälter entnommene Gasmenge auf den Druck des Niederdruckbehälters
entspannt werden muß, um dann wieder auf die hohe Spannung verdichtet zu werden.
Dieser Leistungsbedarf kann jedoch auf ein Mindestmaß gebracht werden, weil die
Zylinderräume, in denen die Kolben arbeiten, nur so groß sind, daß sie gerade den
durch die elastischen Dehnungen der Prüfanordnung bedingten Hub des Kolbens aufzunehmen
vermögen.
-
Bei der Steueranordnung nach Abb. 6 stehen die beiden Räume
I und 1I des Arbeitszylinders der Prüfmaschine, deren Räume wieder so klein
wie irgend möglich bemessen werden, mit zwei Zylindern oder Zylindergruppen a",
b" eines Verdichters in unmittelbarer Verbindung,
dessen Kolben
z. B. wie bei der üblichen Anordnung von Vierzylindermotoren derart angetrieben
werden, daß die Kurbeln für beide Zylindergruppen um 18o' versetzt sind. Dabei erfolgt
die Verbindung der Zylindergruppen des Verdichters mit den entsprechenden Räumen
I und II des Arbeitszylinders der Maschine unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung
einer Steuerung irgendwelcher Art.
-
Die Regelung der Grenzen, zwischen denen die Kraftwirkung der Maschine
pendeln soll, geschieht durch Regelung der Spannung, die in den Zylindern des Verdichters
in dem Augenblick herrscht, wo die Kolben des Verdichters die untere Totlage erreichen.
Diese stehen zu diesem Zweck durch Schlitze c", die von den Kolben des Verdichters
gesteuert werden, mit Druckbehältern d", e" in Verbindung, und zwar ist zweckmäßig
für jede Zylindergruppe ein besonderer Druckbehälter vorzusehen. Diese Druckbehälter
werden von einem oder zwei Hilfsverdichtern auf dem erforderlichen Druck gehalten,
der durch feinfühlig einstellbare Regelventile bekannter Art auf den gewünschten
Wert eingestellt wird.
-
Da bei dieser Anordnung die Gasmenge lediglich zwischen den Zylindern
des Verdichters und denen der Prüfmaschine hin und her pendelt, wobei sie abwechselnd
verdichtet und entspannt wird, hat der Hilfsverdichter lediglich die Verluste zu
decken, die durch die Undichtigkeiten entstehen, so daß der gesamte Leistungsbedarf
wesentlich geringer wird wie bei der Anordnung nach Abb. 5.
-
Die Wirkungsweise der Anordnung nach Abb. 6 sei an einem Beispiel
erläutert: Das Hubvolumen jeder der beiden Zylindergruppen des Verdichters entspreche
einer Gasmenge von z,51. Der gesamte Raum auf jeder Seite des Arbeitszylinders der
Maschine einschl. Zuleitung möge im Augenblick des Höchstdruckes ebenfalls eine
Gasmenge von r,51 aufnehmen. Dann wird, wenn die Spannung zu Beginn des Hubs entsprechend
der Spannung in dem Druckbehälter d" oder e" z. B. 5o at war, am Ende des Hubs ein
Druck von rund zoo at erreicht werden.
-
Wird die Anfangsspannung durch entsprechende Einstellung des Regelventils
an dem Druckbehälter d" oder e" auf 30 at erniedrigt, so wird
die Entspannung rund 6o at betragen USW.
-
Da beide Kraftkolben der Prüfmaschine gegeneinandergeschaltet sind,
wird an der Kolbenstange immer nur in an sich bekannter Weise die Differenz der
Kolbendrücke wirksam. Demgemäß kann man auch die Ausgangsspannung des Verdichters
beliebig hoch wählen und trotzdem eine Kraft einstellen, die entweder zwischen gleich
großen positiven und negativen Werten oder zwischen innerhalb der Grenzen des Druckes
beliebig liegenden positiven oder negativen Werten pendelt.
-
Man hat schließlich die Möglichkeit, einen der beiden Zylinder unmittelbar
an einen Druckbehälter mit einstellbarem, sonst aber gleichbleibendem Druck anzuschließen
und so auf den zugehörigen Kolben lediglich einen statischen Druck auszuüben, wobei
dann in an sich bekannter Weise 'die Wechselkräfte lediglich durch die Druckschwankungen
am zweiten Kolben zustande kommen.
-
Als Verdichter wird zweckmäßig eine einfache Zweizylinder- oder Vierzylindermaschine
gewählt, an deren Zylinderdeckel gemäß Abb. 6 die Verbindungsleitungen zu dem Arbeitszylinder
der Prüfmaschine angeschlossen sind.
-
Ein weiteres Regeln, zweckmäßigerweise ein Feinregeln der periodischen
Druckschwankungen, kann durch die Zylinder f", g" ermöglicht werden, die zu den
Verbindungsleitungen zwischen den Arbeitszylindern derPrüfmaschine und den Zylindergruppen
des Verdichters parallel geschaltet sind und in denen Kolben h", i"
mittels
Spindel feinfühlig verschoben werden können. Durch diese Maßnahme kann der »schädliche
Raum« geändert werden, so daß eine feinfühlige Regelung des Enddruckes und damit
der von dem Kolben ausgeübten Kraft bei gegebenem Anfangsdruck möglich ist. Bei
Anordnung dieser Zusatzeinrichtung ist es auch möglich, beide Zylindergruppen des
Verdichters aus demselben Druckbehälter zu speisen und trotzdem den Enddruck an
den Arbeitskolben ganz verschieden einzustellen.
-
Bei Maschinen kleiner Leistung kann man auf die Druckbehälter
d" und e" ganz verzichten und nur die Zusatzregelung benutzen, wobei
dann jeweils die Verdichtung vom atmosphärischen Luftdruck aus erfolgt, so daß die
Maschine mit sehr niedrigen Endspannungen arbeiten kann.