Wikisage is op 1 na de grootste internet-encyclopedie in het Nederlands. Iedereen kan de hier verzamelde kennis gratis gebruiken, zonder storende advertenties. De Koninklijke Bibliotheek van Nederland heeft Wikisage in 2018 aangemerkt als digitaal erfgoed.
- Wilt u meehelpen om Wikisage te laten groeien? Maak dan een account aan. U bent van harte welkom. Zie: Portaal:Gebruikers.
- Bent u blij met Wikisage, of wilt u juist meer? Dan stellen we een bescheiden donatie om de kosten te bestrijden zeer op prijs. Zie: Portaal:Donaties.
Over vermoeiingsbreuken bij groundplane-antennes: verschil tussen versies
Geen bewerkingssamenvatting |
|||
(8 tussenliggende versies door dezelfde gebruiker niet weergegeven) | |||
Regel 1: | Regel 1: | ||
{{essay|Franciscus 4 feb 2018 21:33 (CET)}} | {{essay|Franciscus 4 feb 2018 21:33 (CET)}} | ||
[[Afbeelding:Groundplane-antenne.jpg| | [[Afbeelding:Groundplane-antenne.jpg|325px|rechts]] | ||
Een veel gebruikte antenne voor voertuigen en schepen is de '''Groundplane-antenne'''. Deze heeft als kenmerkende eigenschap, dat ''geen'' rekening behoeft te worden gehouden met de ''richting'' waarin wordt gezonden of ontvangen, aangezien de antenne een cirkelvormig diagram bezit. | Een veel gebruikte antenne voor voertuigen en schepen is de '''Groundplane-antenne'''. Deze heeft als kenmerkende eigenschap, dat ''geen'' rekening behoeft te worden gehouden met de ''richting'' waarin wordt gezonden of ontvangen, aangezien de antenne een cirkelvormig diagram bezit. | ||
<br/>Een bekende opbouw van een groundplane-antenne toont de afbeelding, waarin een straler (a) - bevestigd op een isolator (b) - en een tegencapaciteit (c) staan afgebeeld, gemonteerd op een verzinkt stalen draagmast (d). Deze draagmast wordt aan boord van schepen met zadels of met beugels aan een reling of een stuurhut bevestigd, vanwaaruit de aansluitkabel naar de zender-ontvanger wordt gevoerd. | <br/>Een bekende opbouw van een groundplane-antenne toont de afbeelding, waarin een straler (a) - bevestigd op een isolator (b) - en een tegencapaciteit (c) staan afgebeeld, gemonteerd op een verzinkt stalen draagmast (d). Deze draagmast wordt aan boord van schepen met zadels of met beugels aan een reling of een stuurhut bevestigd, vanwaaruit de aansluitkabel naar de zender-ontvanger wordt gevoerd. | ||
<br/>De eerder genoemde tegencapaciteit vormt een kunstmatig aardvlak, waardoor de antenne op ''elke'' willekeurige hoogte kan worden geplaatst. | <br/>De eerder genoemde tegencapaciteit vormt een kunstmatig aardvlak, waardoor de antenne op ''elke'' willekeurige hoogte kan worden geplaatst. | ||
<br/>De tegencapaciteit bestaat bij dit type groundplane-antennes uit een drietal staven met een lengte gelijk aan ongeveer '''¼''' van de golflengte '''''λ'''''. | <br/>De tegencapaciteit bestaat bij dit type groundplane-antennes uit een drietal staven met een lengte gelijk aan ongeveer <big>'''¼'''</big> van de | ||
<br/>golflengte '''''λ'''''. | |||
<br/>De golflengte valt te berekenen uit: | <br/>De golflengte valt te berekenen uit: | ||
[[Afbeelding:Lambda.jpg|80px|left]] | [[Afbeelding:Lambda.jpg|80px|left]] | ||
Regel 19: | Regel 20: | ||
<br/> | <br/> | ||
<br/>Aan de hand van diverse metingen werd hiervoor een lengte gekozen = 0,477 m = 477 mm. | <br/>Aan de hand van diverse metingen werd hiervoor een lengte gekozen = 0,477 m = 477 mm. | ||
Ook de straler zou een dergelijke lengte moeten bezitten, doch wegens allerlei invloeden wordt hiervoor meestal 0,9 à 0,8 x '''''λ''''' | Ook de straler zou een dergelijke lengte moeten bezitten, doch wegens allerlei invloeden wordt hiervoor meestal '''''0,9 à 0,8''''' x {{vbreuk|'''''λ'''''|'''''4'''''}} | ||
genomen. | |||
<br/>Gekozen werd voor een lengte van 0,412 m = 412 mm. | |||
<br/>Zowel de staven van de straler als van de tegencapaciteit waren bij deze antennes van automatenmessing MS 58, 9mm ϕ vervaardigd, waarop wegens de optredende klimatologische invloeden een zware nikkellaag (= 25 μm) werd aangebracht. | <br/>Zowel de staven van de straler als van de tegencapaciteit waren bij deze antennes van automatenmessing MS 58, 9mm ϕ vervaardigd, waarop wegens de optredende klimatologische invloeden een zware nikkellaag (= 25 μm) werd aangebracht. | ||
==Breukverschijnselen== | ==Breukverschijnselen== | ||
[[Afbeelding:Breukvlak.png|thumb|370px|left|<big>Breukvlak nabij het verbindingsstuk</big>]] | [[Afbeelding:Breukvlak.png|thumb|370px|left|<big>Breukvlak nabij het verbindingsstuk</big>]] | ||
Bij een aantal groundplane-antennes van het omschreven type bleken, na enige tijd staven van de tegencapaciteit te zijn afgebroken. Het oppervlak van het breukvlak wees duidelijk in de richting van een vermoeiingsbreuk<sup>1)</sup>, onder meer door de gladde structuur van het vlak en | Bij een aantal groundplane-antennes van het omschreven type bleken, na enige tijd staven van de tegencapaciteit te zijn afgebroken. Het oppervlak van het breukvlak wees duidelijk in de richting van een vermoeiingsbreuk<sup>1)</sup>, onder meer door de gladde structuur van het vlak en kleine waarneembare vormveranderingen op de breukplaats. | ||
<br/>Na uitgebreid onderzoek bleek de breuk van de staven te zijn ontstaan | <br/>Na uitgebreid onderzoek bleek de breuk van de staven te zijn ontstaan | ||
door ''gedwongen'' trillingen die door de scheepsschroef werden opgewekt. De frequentie van deze trillingen ligt bij veel schepen tussen de 20 en 25 hertz (Hz). | door ''gedwongen'' trillingen die door de scheepsschroef werden opgewekt. De frequentie van deze trillingen ligt bij veel schepen tussen de 20 en | ||
<br/>25 hertz (Hz). | |||
<br/>Uit verder onderzoek bleek, dat de eigenfrequentie f<sub>0</sub> van de antennestaven op 23 Hz lag, waardoor deze gingen meetrillen en resonantie optrad, waardoor zich opslingeringen ontwikkelden die in korte tijd tot breuk moesten leidden. Door deze opslingeringen en de grote amplituden die daardoor ontstonden, werden hoge materiaalspanningen ontwikkeld op de meest gevoelige plek van de staven, namelijk daar waar de staven overgaan in het verbindingsstuk. | <br/>Uit verder onderzoek bleek, dat de eigenfrequentie f<sub>0</sub> van de antennestaven op 23 Hz lag, waardoor deze gingen meetrillen en resonantie optrad, waardoor zich opslingeringen ontwikkelden die in korte tijd tot breuk moesten leidden. Door deze opslingeringen en de grote amplituden die daardoor ontstonden, werden hoge materiaalspanningen ontwikkeld op de meest gevoelige plek van de staven, namelijk daar waar de staven overgaan in het verbindingsstuk. | ||
::''Door de hoge materiaalspanningen ontstonden op enkele plekken microscheuren, die elkaar - bij aanhoudende opslingeringen - op een geven moment zouden bereiken en daarna zouden samenvallen, waardoor uiteindelijk een breuk werd gevormd: de '''Vermoeiingsbreuk'''.'' | ::''Door de hoge materiaalspanningen ontstonden op enkele plekken microscheuren, die elkaar - bij aanhoudende opslingeringen - op een geven moment zouden bereiken en daarna zouden samenvallen, waardoor uiteindelijk een breuk werd gevormd: de '''Vermoeiingsbreuk'''.'' | ||
Regel 47: | Regel 51: | ||
{{Bron|bronvermelding= | {{Bron|bronvermelding= | ||
{{References}} | {{References}} | ||
:* De gegevens van dit essay zijn ontleend aan de verhandeling: | :* De gegevens van dit essay zijn ontleend aan de resultaten van diverse beproevingen en de verhandeling: | ||
::'''''Tegengaan van vermoeiingsbreuken bij groundplane-antennes door vergroting van de inwendige demping,''''' | ::'''''Tegengaan van vermoeiingsbreuken bij groundplane-antennes door vergroting van de inwendige demping,''''' | ||
::geschreven door Franciscus. | ::geschreven door proefleider ''Franciscus'', destijds werkzaam bij Van der Heem N.V. in Den Haag. | ||
:* <sup>1)</sup>De term '''Vermoeiing''' geeft door de inzichten die over het verschijnsel bekend zijn, niet de ''juiste'' situatie weer. Vermoeiing veronderstelt namelijk ook een periode waarin herstel kan plaatsvinden, en die blijft uit. | :* <sup>1)</sup>De term '''Vermoeiing''' geeft door de inzichten die over het verschijnsel bekend zijn, niet de ''juiste'' situatie weer. Vermoeiing veronderstelt namelijk ook een periode waarin herstel kan plaatsvinden, en die blijft uit. | ||
::Door het cumulatieve karakter van het proces, gaat na elke willekeurige onderbreking van het proces het vormen van microscheuren onverminderd door. Vanwege het algemene spraakgebruik wordt de term ''vermoeiing'' echter gewoon gehandhaafd. | ::Door het cumulatieve karakter van het proces, gaat na elke willekeurige onderbreking van het proces het vormen van microscheuren onverminderd door. Vanwege het algemene spraakgebruik wordt de term ''vermoeiing'' echter gewoon gehandhaafd. |
Huidige versie van 6 jan 2019 om 16:50
![](/w/images/thumb/4/4a/Groundplane-antenne.jpg/325px-Groundplane-antenne.jpg)
Een veel gebruikte antenne voor voertuigen en schepen is de Groundplane-antenne. Deze heeft als kenmerkende eigenschap, dat geen rekening behoeft te worden gehouden met de richting waarin wordt gezonden of ontvangen, aangezien de antenne een cirkelvormig diagram bezit.
Een bekende opbouw van een groundplane-antenne toont de afbeelding, waarin een straler (a) - bevestigd op een isolator (b) - en een tegencapaciteit (c) staan afgebeeld, gemonteerd op een verzinkt stalen draagmast (d). Deze draagmast wordt aan boord van schepen met zadels of met beugels aan een reling of een stuurhut bevestigd, vanwaaruit de aansluitkabel naar de zender-ontvanger wordt gevoerd.
De eerder genoemde tegencapaciteit vormt een kunstmatig aardvlak, waardoor de antenne op elke willekeurige hoogte kan worden geplaatst.
De tegencapaciteit bestaat bij dit type groundplane-antennes uit een drietal staven met een lengte gelijk aan ongeveer ¼ van de
golflengte λ.
De golflengte valt te berekenen uit:
![](/w/images/thumb/5/59/Lambda.jpg/80px-Lambda.jpg)
waarin:
- λ = golflengte (m)
- f = frequentie (hertz)
De groundplane-antenne werd ontwikkeld voor zend-ontvanginstallaties werkend in het frequentiegebied van 156 – 166 MHz. Bij een gemiddelde frequentie van 161 MHz betekent dit dus, dat de staven van de tegencapaciteit een lengte moeten bezitten van:
![](/w/images/thumb/0/03/Staaflengte.jpg/250px-Staaflengte.jpg)
Aan de hand van diverse metingen werd hiervoor een lengte gekozen = 0,477 m = 477 mm.
Ook de straler zou een dergelijke lengte moeten bezitten, doch wegens allerlei invloeden wordt hiervoor meestal 0,9 à 0,8 x λ 4
genomen.
Gekozen werd voor een lengte van 0,412 m = 412 mm.
Zowel de staven van de straler als van de tegencapaciteit waren bij deze antennes van automatenmessing MS 58, 9mm ϕ vervaardigd, waarop wegens de optredende klimatologische invloeden een zware nikkellaag (= 25 μm) werd aangebracht.
Breukverschijnselen
![](/w/images/thumb/a/a7/Breukvlak.png/370px-Breukvlak.png)
Bij een aantal groundplane-antennes van het omschreven type bleken, na enige tijd staven van de tegencapaciteit te zijn afgebroken. Het oppervlak van het breukvlak wees duidelijk in de richting van een vermoeiingsbreuk1), onder meer door de gladde structuur van het vlak en kleine waarneembare vormveranderingen op de breukplaats.
Na uitgebreid onderzoek bleek de breuk van de staven te zijn ontstaan
door gedwongen trillingen die door de scheepsschroef werden opgewekt. De frequentie van deze trillingen ligt bij veel schepen tussen de 20 en
25 hertz (Hz).
Uit verder onderzoek bleek, dat de eigenfrequentie f0 van de antennestaven op 23 Hz lag, waardoor deze gingen meetrillen en resonantie optrad, waardoor zich opslingeringen ontwikkelden die in korte tijd tot breuk moesten leidden. Door deze opslingeringen en de grote amplituden die daardoor ontstonden, werden hoge materiaalspanningen ontwikkeld op de meest gevoelige plek van de staven, namelijk daar waar de staven overgaan in het verbindingsstuk.
- Door de hoge materiaalspanningen ontstonden op enkele plekken microscheuren, die elkaar - bij aanhoudende opslingeringen - op een geven moment zouden bereiken en daarna zouden samenvallen, waardoor uiteindelijk een breuk werd gevormd: de Vermoeiingsbreuk.
Nader onderzoek
![](/w/images/thumb/2/21/Buigcycli.jpg/400px-Buigcycli.jpg)
Aangezien de staven door de opslingeringen aan een wisselende belasting werden onderworpen, was het noodzakelijk de gegevens uit de zogenaamde Wöhlerkrommen2) te hanteren. Vastgesteld is namelijk, dat bij wisselende belasting de toegestane materiaalspanning σA van messing asymptotisch meer dan 50% terugloopt, zodat nog maar ca 160 Nmm2 toegestaan is in plaats van 380 Nmm2 die voor statische belastingen geldt.
Uitgaande van een aantal bijkomende factoren als : galvanische bedekking van de staven en de bevestiging ervan in het verbindingsstuk door middel van een stompe las, werd de vermoeiingssterkte δA van het toegepaste MS 58 op de lasplaats nog lager ingeschat, namelijk op 50% van de normale vermoeiingssterkte bij 107 wisselingen, waardoor σA uiteindelijk op ongeveer 80 Nmm2 uitkwam.
Uit verdere proefnemingen, nabootsingen van de praktijkomstandigheden en uit berekeningen bleek de optredende materiaalspanning door de opslingeringen op de breukplaats 100 à 120 Nmm2 te bedragen; dus duidelijk hogere waarden dan toegestaan.
Deze te hoge materiaalspanningen leverden dus na een bepaald aantal trillingen een vermoeiingsbreuk op.
Toegevoegde demping
![](/w/images/thumb/5/5b/Dempingsmechanisme.jpg/450px-Dempingsmechanisme.jpg)
Uit het onderzoek was gebleken, dat de demping van messingstaven vrij gering was, waardoor de aangeleverde energie door de trillingen van de scheepsschroef niet werd afgebouwd. Er moest dus een methode worden gevonden om de demping te verhogen.
Na een aantal proefnemingen - ook weer door nabootsingen van de praktijkomstandigheden - werd uiteindelijk een eenvoudige oplossing gevonden voor het probleem.
Door middel van een aan de bovenzijde van de staven geboorde kamer met een daarin aangebrachte remstaaf + olievulling - werden de trillingen van de antennestaven tot een ongevaarlijke amplitude teruggebracht. Hierdoor kwam de materiaalspanning σ op de hoogst belaste plaats op ca 30 Nmm2 uit, dus ver verwijderd van de gevaarlijke spanning die aanvankelijk optrad.
Door deze maatregel zijn in de praktijk geen breuken van antennestaven meer opgetreden.
Nawoord
- Het probleem van de vermoeiingsbreuken, kon worden opgelost door praktijkonderzoek en door theoretische, wiskundige afleidingen. Door dit hechte samenspel werd inzicht verkregen in de aard en de achtergrond van de vermoeiingsproblemen van de messingstaven en kon een oplossing worden gevonden voor het gerezen probleem, door de inwendige demping te vergroten.
- De genoemde wiskundige afleidingen zijn hier achterwege gelaten, om de leesbaarheid van dit essay niet te verstoren.
Bronvermelding
Bronnen, noten en/of referenties:
- De gegevens van dit essay zijn ontleend aan de resultaten van diverse beproevingen en de verhandeling:
- Tegengaan van vermoeiingsbreuken bij groundplane-antennes door vergroting van de inwendige demping,
- geschreven door proefleider Franciscus, destijds werkzaam bij Van der Heem N.V. in Den Haag.
- 1)De term Vermoeiing geeft door de inzichten die over het verschijnsel bekend zijn, niet de juiste situatie weer. Vermoeiing veronderstelt namelijk ook een periode waarin herstel kan plaatsvinden, en die blijft uit.
- Door het cumulatieve karakter van het proces, gaat na elke willekeurige onderbreking van het proces het vormen van microscheuren onverminderd door. Vanwege het algemene spraakgebruik wordt de term vermoeiing echter gewoon gehandhaafd.
- 2) Zie ook:Metaalmoeheid