Over vermoeiingsbreuken bij groundplane-antennes

Dit is een gebruikersessay geschreven door Franciscus 4 feb 2018 21:33 (CET)

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:

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:

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

Breukvlak nabij het verbindingsstuk

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

De toegestane treksterkte σ als functie van het aantal buigcycli

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 σ_A 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 δ_A van het toegepaste MS 58 op de lasplaats nog lager ingeschat, namelijk op 50% van de normale vermoeiingssterkte bij 10⁷ wisselingen, waardoor σ_A 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

Dempingsmechanisme : remstaaf + olievulling

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