DE759995C - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennbarmachen der Spannungs-verteilung an Konstruktions- und Maschinenteilen - Google Patents

Description

Wenn man sich ein Bild über die Spannungsverteilung in vielgestaltigen Konstruktionen, insbesondere in Maschinen- und Bauteilen, machen' will, so erfordert dies im allgemeinen recht zeitraubende Verfahren. Von diesen ist nach dem bisherigen Stand der Technik die statische Dehnungsmessung als das gebräuchlichste anzusehen; sie wird in folgender Weise ausgeführt: Am Prüfling werden ein oder mehrere Dehnungsmesser

befestigt, worauf eine statische Belastung eingeleitet wird. Man erhält dann für eine relativ geringe Anzahl von Meßstellen die Dehnung bzw. Formänderung und damit die Beanspruchung in einer bestimmten Richtung. Zur Ermittlung der Hauptspannungen müssen gegebenenfalls die gleichen Meßeinrichtungen an den gleichen Stellen in anderer Richtung erneut befestigt werden, worauf wiederum die statische Belastung eingeleitet wird

und eine Messung" erfolgt. Die Größe und Richtung der Hauptspannungen an einer Meßstelle wird durch drei bis vier Messungen in verschiedener Richtung bestimmt und berechnet.

I'm ein vollständiges Bild über die Spannungsverteilung zu bekommen, ist auf diese Art eine große Anzahl von Meßstellen durchzuprüfen. Das Aufspannen der Meßinstrumente, die Einleitung der Prüf belastung und die mehrmalige Wiederholung der Versuche nehmen eine erhebliche Zeit in Anspruch, so daß das Verfahren bei großer Anzahl von Meßstellen sehr langwierig wird.

Dasselbe ist der Fall beim sog. Setzdehnungsmeßverfahren, das vorzugsweise dann angewendet wird, wenn der Wechsel der statischen Belastung nicht beliebig' wiederholt werden kann, wie das erstgenannte Verfahren es erfordert, oder wenn die Dehnungsmeßinstrumente nicht sitzenbleiben können, während die Belastung wechselt. Zur Vorbereitung der Messungen werden die Endpunkte aller Meßlängen durch Anbringen von Marken genau festgelegt; in einer bekannten Ausführung durch Einschlagen von kleinen Kugeln. Darauf werden in einer bestimmten Belastungsstufe mit dem Setzdehnungsmesser alle festgelegten Meßlängen nacheinander genau ausgemessen. Nach Einleitung einer neuen Belastungsstufe erfolgt wiederum eine Messung der sämtlichen Meßlängen; die Änderung der Meßlänge gegenüber dem ersten Belastungszustand ist ein Maß für die Beanspruchung an der Meßstelle.

Da während einer Ausmessungsreihe der Belastungszustand konstant bleibt, ist das Verfahren nichts anderes als eine sehr genaue Längenmessung, und die Handhabung der Instrumente wird nach denselben Grundsätzen durchgeführt. Sowohl die große Sorgfalt, welche bei einer solchen Messung erforderlich ist, als auch die Vorbereitung der Meßpunkte nehmen insgesamt mindestens ebensoviel Zeit in Anspruch wie beim erstgenannten Verfahren. Man hat deshalb darauf gesonnen, es durch schneller arbeitende Verfahren zu ersetzen.

Das weiter bekannte spannungsoptische Verfahren besteht darin, daß Celluloidmodelle von den zu untersuchenden Konstruktionsteilen mit polarisiertem Licht unter Belastung durchleuchtet werden, so daß sich unterschiedliche Lichtwirkungen ergeben, aus denen die Beanspruchungen ermittelt werden können. Die Anfertigung von Celluloidmodellen ist mir in bestimmten geeigneten 'Fällen angängig. Schließlich ist das sog. Dehnungslinienverfahren bekannt, bei welchem der Prüfling einen Lackanstrich erhält, der unter Belastung Risse zeigt. Aus den Rissen kann dann auf die Richtung der Hauptsparmungen und bis zu einem gewissen Grad auf die Höhe der Beanspruchung geschlossen werden. Das Verfahren ist aber stark von der Beschaffenheit des Anstrichs und der Feuchtigkeit. Temperatur u. dgl. abhängig.

Die bekannten Verfahren sind zwar für Forschungszwecke angewendet worden, jedoch für den gewerblichen Betrieb, z. B. zur Prüfung von Neukonstruktionen ganzer Maschinen u. dgl., recht umständlich. Die vorliegende Erfindung gibt dagegen ein Verfahren an, welches allgemein verwertbar ist und dabei die Möglichkeit schafft, auch im Fabrikbetrieb schnell und sicher ein Bild über die Spannungsverteilung in Maschinen und Maschinenteilen, in Bauteilen und ganzen Baugerüsten zu machen.

Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der Prüfling durch eine langsam pulsierende Belastung einer elastischen Formänderung unterworfen und dabei der Dehnungsmesser von Hand nacheinander an zahlreiche Stellen des Prüflings angedrückt wird.

Bei jeder Einzelmessung werden dann im Takt der pulsierenden Belastung pendelnde Ausschläge des Zeigers hervorgerufen, deren Größe ein Maß für die Beanspruchung an der Meßstelle darstellt. Das neue Verfahren arbeitet aus folgenden Gründen schnell und zuverlässig: Die für das Aufspannen des Instruments notwendige Zeit entfällt vollständig. Außerdem ist die Belastungs- und Entlastungszeit auf ein Minimum herabgesetzt. Die pulsierende Prüfbelastung geht einerseits so langsam vor sich, daß das Andrücken des Dehnungsmessers von Hand nicht durch Vibration oder Stöße gestört wird; auch die Zeigerausschläge sind noch gut ablesbar. Andererseits folgen die Lastwechsel so rasch aufeinander, daß der Messende nicht ermüdet, während er den Dehnungsmesser andrückt. Im allgemeinen dürfte eine Frequenz von etwa 1 Hz der pulsierenden Beanspruchung geeignet sein. Die Messung einer Meßstelle kann dann in einigen Sekunden durchgeführt sein, so daß es auch nichts ausmacht, wenn nach mehreren Richtungen gemessen wird, sofern die Riehtung der Hauptspannungen erst ermittelt werden muß. Das ganze Meßfeld ist in kurzer Zeit gewissermaßen durch Betasten des Maschinenteils mittels des Dehnungsmessers zu durchforschen, so daß man in einem geringen Bruchteil der bisher notwendigen Zeit ein zuverlässiges Bild über die Spannungsverteilung erhält.

Es ist bekannt, Prüflinge in Dauerprüfmaschineu einer schnell wechselnden Beanspruchung zu unterwerfen. Die Prüfung führt zur Zerstörung des Prüfteiles und zeigt nur

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die Stelle höchster Beanspruchung. Die Frequenz der Belastungswechsel wird so hoch wie möglich gehalten, um die Dauer des Versuches abzukürzen. . .
Die bekannten Dehnungsmesser sind zum mechanischen Festspannen am Prüfteil bestimmt und eingerichtet. Beim neuen Verfahren wird der Dehnungsmesser, so eingerichtet, beispielsweise durch Anbringen

ίο eines Handgriffes, daß er leicht und schnell von Hand .am Prüfteil, angedrückt und umgesetzt werden kann. Dabei wird vorzugsweise eine Dreipunktabstützung benutzt, und der Handgriff drückt auf eine Fläche des

1-5 Dehnungsmessers, die möglichst nahe der Oberfläche des. Prüf lings liegt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind zwei Punkte der Dreipunktabstützung die Meßspitzen, während der dritte Abstützpunkt eine stumpfe Auflagefläche aufweist. Durch die genannte Einrichtung und, Handhabung ist der Dehnungsmesser von einem ortsfesten Anzeigegerät zu einem beweglichen Spannungsfühler geworden.

Die bereits erwähnten, bekannten Setzdehnungsmesser, die an sich auch von Hand angedrückt werden, und zwar an vorbereitete Meßpunkte, sind zur Ausübung des neuen Verfahrens nicht geeignet.

Die normale Anwehdung des neuen Verfahrens erfolgt in hydraulischen Prüfmaschinen, welche mit einem Pulsator zur Erzeugung der langsamen Belastungswechsel betrieben werden. Die Erfindung kann aber auch in verschiedener Weise abgewandelt oder ergänzt werden. Bei ortsfesten Maschinen ist das Verfahren dann besonders einfach anwendbar, wenn es sich darum, handelt, die in den ruhenden Maschinenteilen auftretenden Beanspruchungen zu ermitteln, welche durch wechselnde Arbeitskräfte erzeugt werden. Die Maschine wird dann in einen Prüflauf versetzt, der die verfahrensmäßige Messung gestattet. Das neue Verfahren wirkt dann je nach der betriebsmäßigen Geschwindigkeit der Maschine gewissermaßen nach Art eines Zeitraffers oder einer Zeitlupe. Bei schnell laufenden Maschinen hat der Meßlauf geringere Geschwindigkeit, und man kann die wechselnden Beanspruchungen wie mit einer Zeitlupe erkennbar machen. Entsprechend" wird bei Maschinen mit besonders langsamer¹ Änderung der Belastung der Meßlauf schneller vonstatten gehen, also nach Art eines Zeitraffers arbeiten.

Sollen Maschinenteile untersucht werden, welche beim betriebsmäßigen Arbeiten bewegt werden, so müssen diese festgesetzt werden. Wenn die Beanspruchung im Betrieb nicht nur der Größe, sondern auch der Richtung nach infolge der Bewegung wechselte, so· wird die pulsierende Belastung bei der Spannungsmessung durch bewegte Teile entsprechend den Betriebsverhältnissen aufgebracht,
i Sollen geschlossene Behälter, z. B. Kessel oder Rohrleitungen, untersucht werden, so wird durch einen langsam laufenden Pulsator ein wechselnder innerer Überdruck hervorgerufen und dabei die Spannungsverteilung am Prüfling gemessen.

Eine weitere Abwandlung des Verfahrens ist beispielsweise dadurch gegeben, daß an Eisenkonstruktionen eine Profoelast angebracht -wird, deren Gewicht man periodisch auf den Prüfling einwirken läßt.

In der Zeichnung sind einige Beispiele für die Anwendung schematisch dargestellt.

Nach Abb. 1 ist ein Verdichter auf die Beanspruchungen im Zylinder und im Kurbelgehäuse zu prüfen. Der Verdichter wird zu diesem Zweck von dem üblichen direkten Antrieb abgeschaltet. Das Getriebe 1 für wesentlich geringere Drehzahlen treibt über Keilriemen 2 od. dgl. den Kompressor 3 mit einer dem Meßlauf entsprechenden Drehzahl, also etwa mit 60 U/Min., an. Diese Drehzahl ist noch schnell genug, um während eines kurzzeitigen Andrückens des Dehnungsmessers den Ausschlag während des Belastungswechsels messen zu können. Andererseits er- folgt der Belastungswechsel so kurzzeitig, daß eine zuverlässige Messung möglich ist, also nicht ein starkes Rutschen oder Schwimmen des Meßgerätes stattfindet. Es können nun an zahlreichen Meßstellen, wie bei 4 angedeutet, die Dehnungen und damit die Beanspruchungen in mehreren Richtungen ermittelt werden, so daß in der Tat die gesamten feststehenden Teile der Maschine in kurzer" Zeit je nach Größe der Maschine in Bruchteilen einer Stunde oder in wenigen Stunden durch-•gemessen werden können. Da der Meßlauf bei diesem Beispiel langsamer vor sich geht als der Betriebslauf,-arbeitet das Verfahren hier nach Art der Zeitlupe.

In Abb. 2 ist ein Fäll behandelt, der mit dem Zeitrafrerverfahren zu erfassen ist. Es sollen die Beanspruchungen der hydraulischen Presse 5 ermittelt werden. Zu diesem Zweck wird· das im Leitungssystem 6 befindliche Druckmittel, also z. B. Preßwasser, durch den Pulsator 7 einem langsam laufenden Druckwechsel unterworfen. Der Motor 8 treibt über ein Übersetzungsgetriebe 9 den Pulsator an; auf der Motorwelle ist eine Schwungscheibe 1-45 IQ angeordnet. Diese Schwungscheibe gestattet, mit einer geringen Leistung des Motors 8 auszukommen, da ein Teil der Leistung beim Abwärtsgang des Kolbens 7 von dem Schwungrad aufgebracht wird, iao welches beim Rückgang des "Kolbens 7 aufgeladen wird.

Eine ähnliche Meßeinrichtung wird nach Abb. 3 beim Prüfen von Behältern benutzt, bei denen in den meisten Fällen die Beanspruchung nur in größeren Zeiträumen schwankt. Auch hier kann mittels des Pulsators eine Druckschwankung im Meßlauf erzielt werden, die eine kurzzeitige Messung an zahlreichen Meßpunkten 4 mittels des Spannungsfühlers gestattet. Bei den Beispielen nach Abb. 2 und 3 arbeitet das Verfahren nach Art eines Zeitraffers.

Die Abb. 4 zeigt schließlich die Prüfung eines Kranauslegers, der beispielsweise in Schweißkonstruktionen ausgeführt ist. Das neue Verfahren gestattet eine zuverlässige Prüfung aller in der Nähe der Schweißnähte und an den Übergangsstellen auftretenden Beanspruchungen, so daß man sich ein genaues Bild über die Spannungsverteilung im gesamten Träger machen kann. Der pulsierende Antrieb kann im vorliegenden Fall z. B. dadurch hervorgerufen werden, daß am Träger 11 ein Hebezeug 12 mit der Probelast 13 angehängt wird und diese Probelast dann durch einen Hebebock oder, wie im Beispiel dargestellt, durch einen Nockenantrieb 14 angehoben wird, so daß Hebezeug und Träger abwechselnd entlastet und wieder belastet werden. Während des Belastungswechsels kann man mit dem Spannungsfühler alle interessierenden Stellen untersuchen.

Der Wechsel der Belastungen kann auch in anderer Weise als durch Pulsatoren, Preßluft, Hebeböcke, Nockenwellen u. dgl. erzielt werden, z. B. durch Benutzung eines Pendels oder eines Schwingers. Ferner können elektrische oder mechanische Steuerungen angewendet werden, besonders wenn Druckflüssigkeiten zur Übertragung der Belastung benutzt werden.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I.Verfahren zum Erkennbarmachen der Spannungsverteilung an Konstruktionsund Maschinenteilen mit Hilfe von Dehnungsmessern, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüflinge durch eine langsam pulsierende Belastung einer elastischen Formänderung unterworfen werden und dabei der Dehnungsmesser als Spannungsfühler von Hand nacheinander an zahlreiche Stellen des Prüflings angedrückt wird.
2. 2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß Maschinenteile, welche sich im Arbeitsgang bewegen, zur Messung festgesetzt und durch bewegte Teile entsprechend den betriebsmäßigen Verhältnissen belastet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Behältern, z. B. Kesseln, die Prüfbelastung mittels eines langsam laufenden Pulsators hervorgerufen wird, der einen wechselnden inneren Überdruck erzeugt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Gerüstteile, z. B. Hebezeugausleger, eine Probelast angehängt oder aufgesetzt wird, deren Gewicht man periodisch auf den Prüfling einwirken läßt.
5. 5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen sowohl mit einem Handgriff als auch einer Dreipunktabstützung versehenen Dehnungsmesser.
6. 6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die langsam pulsierende Belastung erzeugende Pulsator von einem schnell laufenden Motor unter Zwischenschaltung eines die Umlaufgeschwindigkeit ins langsame übersetzenden Getriebes angetrieben wird, dessen Welle dem Energieausgleich dienende Schwungmassen trägt.
7. 7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Hervorrufen der pulsierenden Belastung aus einem Pendel oder Schwinger besteht.

   Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik ist im Erteilungsverfahren folgende Druckschrift in Betracht gezogen worden:

   Zeitschrift »Maschinenbau Der Betrieb«, Bd. 10. 1931, Nr. 23, S. 709/710.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   O 5626 13.52