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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallprüfeinrichtung zur Ermittlung bruchmechanischer und/oder Ermüdungskennwerte, gemäss welcher eine Probe gegebenenfalls unter Vorspannung gesetzt und durch Ultraschall mit mindestens einem Schwinger zu Resonanzschwingungen angeregt wird, wobei wahlweise die Schwingungsamplitude oder die Dehnung, die Lastwechselzahl, die Probentemperatur sowie bei bruchmechanischen Untersuchungen die Risslänge mit optischen Methoden und/oder mittels der Potentialdifferenzmethode und/oder durch die Frequenzänderung des Ultraschallsystems gemessen werden.
Ruhende oder bewegte Teile von Maschinen und Anlagen sind im Betrieb häufig einer Torsionsbeanspruchung mit überlagerter Wechselbeanspruchung ausgesetzt, wie z. B. Antriebswellen, Wellen anderer mechanischer Systeme oder Seile von Brücken, Aufzügen, Seilbahnen und Schiliften.
Die meisten Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens und der Rissbildung und-ausbreitung wurden hingegen bisher nur in Zug-Zug, Zug-Druck oder Biegewechselbeanspruchung durchgeführt.
Hier findet auch das Ultraschall-Ermüdungsverfahren als zeitsparende Methode seine Anwendung. Bei diesem Verfahren werden Dauerschwingproben bei einer Frequenz im kHz-Bereich axial oder biegewechselbeansprucht. Dabei wird entweder mit einem Schwinger oder mit zwei Schwingen gearbeitet ; diese Verfahren sind in der Literatur beschrieben (R. Mitsche et al., Wissenschaftlicher Film, 14,1973, 3-10 ; W. Kromp et al., Ultrasonics International Conf. Proc. London, 1973, 297 ;
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International Conf. Proc. London, 1973,297) der Ultraschallwechselbeanspruchung überlagert wird und über eine Anordnung, bei welcher wahlweise entweder eine Ultraschallwechselbeanspruchung mit/ohne axiale Vorlast oder eine niederfrequente Wechselbeanspruchung durchgeführt wird (AT-PS Nr. 354146).
Nachteilig bei den bekannten Ultraschallvorrichtungen ist, dass sie die Überlagerung verschiedener Beanspruchungsmethoden nicht simulieren können.
Ziel der Erfindung ist, diesen Nachteil zu beseitigen. Dieses Ziel wird mit einer Ultraschallvorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass als Vorspannung eine Torsionsspannung eingeprägt wird. Gelöst wird diese Aufgabe in vorteilhafter Weise dadurch, dass die Vorrichtung zum Einprägen einer Torsionsbeanspruchung aus einem statisch und/oder intermittierend belasteten ein- oder zweiarmigen Hebel besteht, dessen Bewegungsbahn normal zur Achse der Schallübertragungsstücke verläuft und der mittels eines Rohres, dessen Achse zentrisch zum zweiten Schallübertragungsstück verläuft, über eine an der Stelle des Schwingungsknotens des zweiten Schallübertragungsstückes angebrachte Kopplung drehfest mit diesem verbunden ist.
Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung ergibt sich dadurch, dass der Hebel als Rad ausgebildet ist, an dessen Umfang zum Einprägen einer statischen Torsionsbeanspruchung über feste Rollen geführte, gewichtsbelastete Kabel angreifen.
Bisher sind nur niederfrequent arbeitende Maschinen bekannt, bei welchen die Überlagerung einer Axial (Modus I)-und einer Torsions (Modus III)-Beanspruchung möglich ist. Eine solche Überlagerung ist für eine Ultraschallbeanspruchung nicht naheliegend, weil die Prinzipien, wie sie bei niederfrequenter Beanspruchung angewendet werden, aus folgendem Grund nicht angewendet werden können : Bei der Ultraschallbeanspruchung können bekanntlich hinreichend grosse Beanspruchungsamplituden nur durch Resonanz erreicht werden, so dass nur einzelne wenige Stellen - nämlich die Stellen des Schwingungsknotens des Schallübertragungssystems und der Probe - als Lastangriffspunkte in Frage kommen. Wollte man daher z.
B. auf eine Ultraschallprobe direkt eine Torsionsbelastung übertragen, müsste der Lastangriffspunkt in der Längsmitte der Probe liegen, genau an jener Stelle, wo die maximale Dehnung durch die Ultraschallbeanspru-
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oder besteht aus verschiedenen Teilen mit Zylinder-, Kegel- oder gekrümmten Flächen.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung liegt darin, dass es nunmehr möglich ist, die an sich bekannte zeitsparende Ultraschallbeanspruchung mit einer statischen oder sich zyklisch ändernden Torsionsbeanspruchung zu kombinieren, was in Hinblick auf die in der Praxis zahlreich
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vorkommenden Fälle einer Zug-Druck oder Zug-Zug Wechselbeanspruchung (Modus I) mit überlagerter Torsionsbeanspruchung von grosser Bedeutung ist. Insbesondere ist der Fall hoher Torsionsbeanspruchung mit überlagerter kleiner Modus I-Wechselbeanspruchung mit üblichen, niederfrequenten Prüfmaschinen wegen der zu erwartenden sehr langen Versuchsdauern nur sehr schwer realisierbar. Mit der angegebenen Vorrichtung wird diese Schwierigkeit beseitigt.
Die als Vorspannung eingeprägte Torsionsspannung kann konstant gehalten werden ; dies empfiehlt sich besonders zur Untersuchung von Seilbahn-, Aufzug- und Schiliftkabeln, bei welchen die Teildrähte tordiert sind und beim Betrieb eine Modus I-Wechselbeanspruchung überlagert wird.
Die Torsionsbeanspruchung kann jedoch auch zyklisch erfolgen ; diese Beanspruchungsart wird besonders anzuwenden sein, wenn Generator- oder Motorantriebswellen geprüft werden sollen.
Darüber hinaus kann den angeführten Belastungen eine statische oder zyklische Axialbelastung zusätzlich überlagert sein. Diese Beanspruchungsarten sind insbesondere für die Prüfung von Brückenaufhängeseilen wichtig.
Die Erfindung wird an Hand der Prinzipskizze erläutert. Als Ausführungsbeispiel wird ein Einschwingersystem angenommen, das Prinzip der Erfindung ist aber ebenso auf ein Zweischwingersystem anwendbar.
An einen Schallgeber, bestehend aus einer 1/2-Schallquelle einem X/2-Amplitudenverstär- ker-2-und einem x/2-Schallübertragungsstück--3--wird in bekannter Weise eine Probe - gekoppelt. Die Stelle des Schwingungsknotens des Schallübertragungsstückes dient in bekannter Weise als Halterungs- und Kraftangriffsstelle --4--. Die Probe --5-- schwingt z. B. in Zylinder-, Uhrglas- oder Hantelform in Resonanz, ist voll oder hohl und mit oder ohne Kerbe in Längsmitte --6-- versehen. An das zweite Ende der Probe ist ein zweites À/2-Schallübertra- gungsstück --7-- gekoppelt. An der Stelle des Schwingungsknotens --8-- ist ein Ende eines Rohres --9-- befestigt, welches am andern Ende mit einer hebelförmigen Einrichtung --10-starr verbunden ist.
Die Verbindung Hebel und Maschinenrahmen --17-- besteht aus einem Lager --11--, in welches hebelförmige Einrichtungen verschiedener Abmessungen eingebaut werden können. Am Umfang der hebelförmigen Einrichtung befindet sich eine Rille --12--, in welcher über zwei feste Rollen --14-- geführte Kabel --13-- zur Befestigung zweier Gewichte --15-dienen. Durch diese Gewichte wird an der Probe --5-- eine statische Torsionskraft angelegt.
An Stelle der Anordnung Rille-Kabel-feste Rollen-Gewichte --12-15-- kann auch über einen Exzenter ein Motor oder eine Ermüdungsmaschine angekoppelt werden ; auf diese Weise ist eine zyklische Torsionsbeanspruchung der Probe --5-- realisierbar. Die Torsionsbeanspruchung kann wahlweise der Ultraschallbeanspruchung überlagert sein, oder es können Ultraschall- und Torsionsbeanspruchung unabhängig voneinander und abwechselnd aufgebracht werden. Das Lager --11-kann entfallen, wenn die Torsionsbeanspruchung symmetrisch aufgebracht wird und damit kein Biegemoment entsteht.
Messung, Regelung und Steuerung der Schwingungsamplitude der Ultraschallbeanspruchung
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einen am Ort der maximalen Dehnung in Längsmitte --6-- der Probe --5-- angebrachten Dehnungsmessstreifen. Die Ultraschallamplituden können wahlweise konstant oder beliebig regellos in bekannter Weise (S. Stanzl et al., in "Advances in Fracture Research", eds. S. R. Valluri et al., 5, 1984,3645) aufgebracht werden. Die Lastwechselzahl wird in bekannter Weise bestimmt. Für bruchmechanische Untersuchungen wird die Risslänge in bekannter Weise entweder optisch oder nach dem Potentialsondenverfahren (AT-PS Nr. 378853) oder aus der Eigenfrequenzänderung des Ultraschallsystems (Dissertation H. Ehrenberger, 1984) bestimmt.
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