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Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Prüfung fertiger Bauwerke
oder Bauwerksteile Bei der dynamischen Materialprüfung muß mehr als bei einer anderen
Prüfungsart die Beanspruchung der zu prüfenden Teile so genau wie möglich den wirklichen
Verhältnissen angepaßt werden. Die Prüfung der Werkstoffe mit Hilfe besonderer Prüfstäbe
auf dynamischen Materialprüfmaschinen kann wohl über die grundlegenden dynamischen
Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe selbst Klarheit geben. Bei der endgültigen
Gestalturig und dem Zusammenbau aus einzelnen fertigen Stücken verlaufen die Beanspruchungen
jedoch nicht einfach nach den klaren Grundgesetzen, wie sie bei der Untersuchung
in den Dauerprüfmaschinen vorausgesetzt werden, vielmehr treten fast stets überlagerte
und zusammengesetzte Beanspruchungen auf, die von zusätzlichen Kräften und zahlreichen
Nebenschwingungen verursacht werden und sich rechnerisch nicht erfassen lassen.
Es ist deshalb notwendig, den fertigen Konstruktionsteil einer die praktischen Verhältnisse
möglichst getreu nachahmenden schwingenden Beanspruchung zu unterwerfen.
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Zur Untersuchung von Brücken ist es bekannt, durch einen Stoßerreger
Schwingungen der Brücke hervorzurufen, die vor jeder neuen Erregung bereits abklingen.
Neu ist dagegen die Verwendung mehrerer Erreger zur Erzeugung zusammengesetzter
Schwingungen und zur Dauererregung. Bekanntlich führen die aus zahlreichen Einzelstücken
zusammengesetzten Bauwerks- oder Maschinenteile, wie Kurbel- o. dgl. Wellen, Fahrzeug-
und Flugzeuggestelle (besondersTragflächen), Gitterträger von Brücken, Kranen u.
dgl., im Betriebe Schwingungen in der Eigenschwingungszahl des Gebildes aus. Die
Erfindung besteht in erster Linie darin, daß zur dynamischen Prüfung solcher Gebilde,
insbesondere in oder in der Nähe ihrer Eigenschwingungszahl, mehrere voneinander
unabhängige Erreger verwendet werden, die diese Gebilde in Dauerschwingungen versetzen,
und daß die Erregerkräfte dabei nach Größe, Taktzahl und Phase derart geregelt werden,
daß sie für jedes Prüfgebilde in ein bestimmtes, während der Untersuchung gleichbleibendes
Verhältnis zueinander gebracht werden. Die Erregerkräfte läßt man dabei am besten
in der Gegend der Schwingungsbäuche der Gebilde angreifen. Die Größe der betriebsmäßig
auftretenden Schwingungen und Beanspruchungen kann mit Hilfe besonderer Meßgeräte
(Erschütterungsmesser, Dehnungsmesser u. dgl.) mit genügender Genauigkeit ermittelt
werden. Welchen Ursprung die die Schwingungen erregenden Kräfte haben, ist an sich
gleichgültig. Es können ebensowohl elektrische als elektromagnetische oder mechanische
Erregerkräfte (beispielsweise Fliehkräfte) benutzt werden, um die Eigenschwingungen
der
zu prüfenden Teile hervorzurufen. Wesentlich ist nur, daß- -
die - Erreger-- periodisch und in regelbarer Weise an--und abschwellende Kräfte
hervorrufen, wobei zweckmäßig auch die Periode, also die Taktzahl der Erregungsvorrichtung,
veränderlich ist, um die mechanischen Schwingungen des Erregers der Eigenschwingungszahl
jedes zu untersuchenden Gebildes bequem anpassen zu können. Andererseits empfiehlt
es sich, die Erregertaktzahl während der Prüfung selbst, gegebenenfalls durch die
Erregervorrichtung überwachende Einrichtungen, möglichst genau gleichzuhalten. Die
Verbindung zwischen der Erregervorrichtung und dem zu untersuchenden Gebilde kann
je nach den praktischen Bedürfnissen ausgestaltet sein. Sie kann ebensowohl starr
als in beliebiger Weise elastisch sein, je nachdem dies zur Nachahmung der späteren-Betriebsverhältnisse
des zu prüfenden Gebildes wünschenswert erscheint. Auch ob die Erregervorrichtung
ein selbständiges Schwingungsgebilde- ist, an welches der zu - prüfende Teil angeschlossen
wird, oder ob die Erregervorrichtung erst zusammen mit dem zu prüfenden Gebilde
zu Schwingungen befähigt wird, ist-an-sich gleichgültig. Wesentlich ist, daß die
Gesamtmasse der Erregervorrichtung möglichst klein gewählt wird, derart, - -daß
sie die Schwingungsverhältnisse des zu prüfenden Gebildes nicht wesentlich beeinflußt.
-Infolge der erfindungsgemäßen Verwendung mehrerer Erreger, die gemeinsam an dem
zu prüfenden Teil angreifen, tritt die Frage auf, wie sich die Kräfte dieser einzelnen
Erreger hinsichtlich ihrer Größe und Taktzahl zueinander verhalten. Erfindungsgemäß
sind die Erregerkräfte der einzelnen Erreger nach Größe und Takt unabhängig voneinander
einstellbar. Dies gilt auch bezüglich der zwischen den einzelnen _ Erregungsamplituden
vorliegenden Phasenverschiebung, die den Erfordernissen der Prüfung entsprechend
einstellbar ist. Die Erreger- brauchen nicht alle mit gleicher Taktzahl auf das
zu prüfende Gebilde einzuwirken. Es ist vielmehr anzustreben, daß sich die im Betrieb
des Gebildes bevorzugte Schwingungsform auch während der Prüfung einstellt. Zum
Beispiel wird ein Fachwerksträger in den seltensten Fällen einfach Schwingungen
ausführen, die lediglich den Grundschwingungen seines Gebildes -entsprechen, vielmehr
werden außer der Grundschwingung auch noch Oberschwingungen vorliegen. Um solche
Oberschwingungen neben der Grundschwingung zu erzeugen, greifen an dem zu prüfenden
Teil mehrere Schwingungserreger an, deren Taktzahl in einem festen Verhältnis zueinander
steht, das durch das Verhältnis der Grund- zu den Oberschwingungen des zu prüfenden
Gebildes oder allgemein durch ein anderes, den praktischen Beanspruchungen des zu
prüfenden -Gebildes entsprechendes Verhältnis der Schwingungen des ganzen Gebildes
oder einzelner Teile gegeben ist.
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Die Einstellung der Größe der Erregerkraft bei den Messungen erfolgt
bei fachwerkartigen Prüfkörpern, bei denen die Erregerkräfte zweckmäßig an den Knotenpunkten
der Stäbe angreifen, durch Feststellung der Beanspruchung in den maßgebenden -Stäben
bzw. Gliedern des Prüfkörpers, die mit Hilfe von dynamischen Dehnungsmessern durchgeführt
wird. Die Größe der dort entstehenden Beanspruchungen muß die im praktischen Betrieb
beobachteten ungünstigen Verhältnisse möglichst getreu wiedergeben, etwa derart,
daß in den einzelnen Baugliedern Beanspruchungen herrschen, die den im Betrieb gemessenen
Beanspruchungen ganz oder angenähert gleich sind.
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Wesentlich für die Möglichkeit der Untersuchung und für die Nachahmung
der im praktischen Gebrauch auftretenden Schwingungen ist es, daß sich die Erregerkräfte
.nach bestimmten periodischen Gesetzen, beispielsweise nach einem Sinusgesetz, der
Zeit nach ändern und ferner, - daß sowohl die Amplitude der Erregerkraft als auch
die Taktzahl der Erregungsimpulse in weiten Grenzen, am besten zwischen dem Nullwert
und einem der Verwendung entsprechenden Höchstwert, entweder während der Messung
oder zum mindesten vorher regelbar ist und daß diese Größen während der Dauerprüfung
selbst genau gleichbleibend gehalten werden können.
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Eine Regelung der Impulsgröße ist beispielsweise bei mechanischen,
durch Schwungmassen oder Kurbelgetriebe bewegten Schwingungserregern dadurch möglich,
daß der Radius der Schwungmassen oder der Hub des Kurbeltriebes entsprechend einstellbar
gemacht ist.
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Die einzelne Erregermaschine wird zweckmäßig dort- 'angebracht, wo
im praktischen Betrieb die Übertragung der Kräfte stattfindet, also etwa in den
Knotenpunkten von Fachwerko* dgl. Bauten. - Es empfiehlt sich, die Regelbarkeit
der Erregerkräfte nach Größe, Taktzahl und Phase in der Weise durchzuführen, daß
sämtliche Erregermaschinen durch Synchronmotoren angetrieben werden, die von einer
gemeinsamen Dynamomaschine gespeist werden. Die Änderung der- Frequenz wird so vorgenommen,
daß die Drehzahl der Dynamomaschine, also die Frequenz des Drehstromes, dem Untersuchungsfalle
entsprechend geregelt wird. Die Änderung der Phase kann dadurch erfolgen, daß die
Gehäuse der die Erregermaschine treibenden Synchronmotore um die Motorachse drehbar
sind, so daß die Pole der einzelnen Motoren der Phasenverschiebung entsprechend
verschieden liegen. - Das Verhältnis der Schwingungszahlen der einzelnen Erreger
kann beispielsweise dadurch geregelt
und gleichgehalten werden,
daß die Synchronmotoren z. B. über Zahnradvorgelege die Wellen der Erregermaschine
antreiben, wobei dann das Übersetzungsverhältnis des Zahnradgetriebes von vornherein
dem Verhältnis der Schwingungsunterschiede entsprechend gewählt wird, also beispielsweise
im Verhältnis der Grund- zu den Oberschwingungen steht. - Auch andere Ausführungsarten
der verschiedenen Einstellung der Erregermaschinen und zur Beibehaltung der einmal
gewählten, den praktischen Verhältnissen entsprechenden Einstellung können Anwendung
finden.
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Bei manchen Untersuchungen, z. B. solchen eines Flugzeugkörpers bzw.
der Tragflächen desselben, wird das Flugzeug zweckmäßig an oder in weichen Federn
aufgehängt. Hierdurch verhält sich das Flugzeug so, als ob es frei im Raum schwebt.
Die Eigenschwingungszahl des Schwingungsgebildes, dem die weichen Aufhängefedern
angehören, muß verhältnismäßig sehr niedrig sein, so daß die hohen Eigenschwingungen
der Prüfung keinen Einfluß auf die weichen Federn gewinnen können.
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Es empfiehlt sich häufig, die Prüfung so vorzunehmen, daß der Schwingungserreger
die eine, der zu untersuchende Teil die zweite Masse eines mechanischen Schwingungsgebildes
ist, das durch Zwischenschaltung einer Federung zwischen diesen beiden Massen entsteht,
und in welchem die Reaktionskraft des Schwingungserregers mittels der Federung den
zu untersuchenden Teil beansprucht.
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Zweckmäßig werden die zu prüfenden Teile außer durch die Erregerkräfte
noch durch diejenigen ruhenden oder sich ändernden Belastungen beansprucht, welche
auf diese Teile auch im Betriebszustand wirken.