AT522371A1

AT522371A1 - Verfahren zur Verformungsmessung

Info

Publication number: AT522371A1
Application number: ATA50280/2019A
Authority: AT
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-10-15
Also published as: AT522371B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Verformung eines belastbaren oder belasteten Bauteils (1), umfassend die Schritte: a. Befestigen eines Dehnungsmesselements (2) in einer Ausnehmung (3), vorzugsweise in einer Nut, des Bauteils (1) zur Bildung eines Messabschnitts (6), wobei das Dehnungsmesselement (2) eine Messrichtung (5, 5‘) aufweist, in welcher eine Dehnung und/oder Stauchung des Dehnungsmesselements (2) detektierbar ist, b. Belasten des Messabschnitts (6) des Bauteils (1) durch Druckbeaufschlagung mit einem Belastungselement (4), und c. Messen der Dehnung des Dehnungsmesselements (2) zur Bestimmung der Verformung des Bauteils (1). Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil (1) mit einem Messabschnitt (6), umfassend ein Dehnungsmesselement (2), vorzugsweise mehrere Dehnungsmesselemente (2), zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren.

Description

Verfahren zur Verformungsmessung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Verformung eines belastbaren oder belasteten Bauteils mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.

Zur Bestimmung der Belastbarkeit von Bauteilen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Verformungsmessungen durchzuführen. Beispielsweise an Eisenbahnschienen werden derartige Messungen in Form von sogenannten Kontaktdehnungsmessungen durchgeführt. Bei der hierbei ermittelten Kraft handelt es sich um die sogenannte Flächenpressung, also die Kraft pro Kontaktfläche zwischen zwei Festkörpern. Hierbei handelt es sich um eine Druckspannung.

Im Stand der Technik werden zur Messung druckempfindliche Folien auf einem zu messenden Bauteil platziert. Daraufhin wird das Bauteil mit einem Belastungselement, im Fall von Eisenbahnschienen mit einem Belastungsrad, mit Druck beaufschlagt. Über die Kompression der Folie kann die Spannungsbeanspruchung normal zur Kontaktfläche ermittelt werden. Jedoch ist die Belastbarkeit derartiger druckempfindlicher Folien eingeschränkt. Auch liefern die Folien keine verlässlichen

Messwerte der zweidimensionalen Verformung des Bauteils.

Um detailliertere Aufschlüsse über die Spannungsverhältnisse während der Druckbelastung erhalten zu können, wäre es hilfreich, ein Verfahren zu schaffen, das eine Detektion von Kontaktspannungen in mehr als einer Dimension ermöglicht. Ferner

soll das geschaffene Verfahren die Messung bei voller Belastung des Bauteils erlauben.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden mit dem erfindungsgemäßen

Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a. Befestigen eines Dehnungsmesselements in einer Ausnehmung, vorzugsweise in einer Nut, des Bauteils zur Bildung eines Messabschnitts, wobei das Dehnungsmesselement eine Messrichtung aufweist, in welcher eine Dehnung und/oder Stauchung des Dehnungsmesselements detektierbar ist,

b. Belasten des Messabschnitts des Bauteils durch Druckbeaufschlagung mit einem Belastungselement, und

c. Messen der Dehnung des Dehnungsmesselements zur Bestimmung der Verformung des Bauteils.

Durch die Befestigung des Dehnungsmesselements in einer Ausnehmung wird dieses in die Kontaktfläche zwischen den in Kontakt befindlichen Elementen integriert. Dies resultiert in einer Schutzfunktion, da das Dehnungsmesselement nicht oder wenigstens

nicht der vollständigen Druckkraft des Belastungselements ausgesetzt ist.

Ein erfindungsgemäßes Dehnungsmesselement weist wenigstens eine Messrichtung

auf, in der eine Verformung des Dehnungsmesselements detektiert werden kann.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmung, vorzugsweise die Nut, eine Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei die Messrichtung des Dehnungsmesselements im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Ausnehmung verläuft. Dies wird dadurch erreicht, dass das Dehnungsmesselement in die Nut eingelegt wird. Die Ausnehmung kann gänzlich oder abschnittweise linear, gebogen oder auch gekrümmt ausgeführt sein.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass mehrere Dehnungsmesselemente in mehreren Ausnehmungen des Bauteils befestigt werden, und/oder dass mehrere Dehnungsmesselemente in einer Ausnehmung des Bauteils befestigt werden. Dadurch kann eine Messung an unterschiedlichen Positionen am Bauteil gewährleistet werden.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass die Messrichtungen von wenigstens zwei Dehnungsmesselementen in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Dadurch kann eine Spannung bzw. Verformung des Bauteils in mehrere Richtungen detektiert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich die Dehnungsmesselemente kreuzen.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass die Messrichtungen von wenigstens zwei Dehnungsmesselementen parallel zueinander angeordnet sind. Dadurch kann die Spannung in einer Richtung an unterschiedlichen Positionen am Bauteil detektiert werden. Für den Fall gebogener oder gekrümmter Ausnehmungen kann vorgesehen sein, dass die Dehnungsmesselemente kurvenparallel zueinander, also mit identischer

Biegung / Krümmung angeordnet sind.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass das Dehnungsmesselement als Dehnungsmessstreifen oder als Faser-Bragg-Gitter-Sensor ausgebildet ist. Dehnungsmessstreifen sind im Stand der Technik bekannte Dehnungsmesselemente, die aus Basis der Messung des elektrischen Widerstands funktionieren. Erfolgt die Dehnung eines Dehnungsmessstreifens in einer Messrichtung, so nimmt der gemessene Widerstand zu. Erfolgt eine Stauchung (negative Dehnung), so nimmt der Widerstand ab. Faser-Bragg-Gitter-Sensoren sind weitere im Stand der Technik bekannte Dehnungsmesselemente. Diese Sensoren umfassen in Lichtwellenleiter eingeschriebene Beugungsgitter, die Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektieren. Kommt es zu einer Dehnung oder Stauchung des Sensors entlang einer Messrichtung,

ändert sich die reflektierte Wellenlänge.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Belastungselement linear, vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit und konstanter Kraftbeaufschlagung, und im Wesentlichen normal zur Richtung der Druckbeaufschlagung über den Messabschnitt geführt wird.

Diese Form der Druckbeaufschlagung kann beispielsweise zur Simulation des Überrollens des Bauteils verwendet werden. Vorzugsweise ist das Belastungselement

bei dieser Form der Druckbeaufschlagung ein Belastungsrad.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass das Bauteil ein längliches Bauteil mit einer Längserstreckungsrichtung ist, und dass die Messrichtung wenigstens eines Dehnungsmesselements in einem Winkel zwischen 0° und 45° relativ zur Längserstreckungsrichtung des Bauteils angeordnet ist, und/oder dass die Messrichtung wenigstens eines weiteren Dehnungsmesselements in einem Winkel zwischen 80° und 110°, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 90° relativ zur

Längserstreckungsrichtung des Bauteils angeordnet ist.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass ein erster Messbereich vorgesehen ist, in dem mehrere Dehnungsmesselemente vorgesehen sind, wobei die Messrichtungen der Dehnungsmesselemente im ersten Messbereich parallel zueinander ausgerichtet sind, dass ein zweiter Messbereich vorgesehen ist, in dem mehrere Dehnungsmesselemente vorgesehen sind, wobei die Messrichtungen der Dehnungsmesselemente im zweiten Messbereich parallel zueinander ausgerichtet sind, und dass die Messrichtungen der Dehnungsmesselemente im ersten Messbereich und im zweiten Messbereich in einem

Winkel, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 90° zueinander angeordnet sind.

Dadurch wird eine Dehnungsmessung sowohl in verschiedene Richtungen als auch an verschiedenen Positionen des Bauteils ermöglicht. Bevorzugt ist dazu vorgesehen, dass die Dehnungsmesselemente im ersten Messbereich und/oder im zweiten Messbereich entlang der Haupterstreckungsrichtung von parallel verlaufenden Ausnehmungen zueinander versetzt angeordnet sind. Mit anderen Worten, die Dehnungsmesselemente sind entlang der Haupterstreckungsrichtung parallel verlaufender Ausnehmungen nicht überlappend, sondern zueinander versetzt

angeordnet. Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass das Dehnungsmesselement mit einem

härtbaren Polymermaterial, vorzugsweise mit Polymerharz oder mit Klebstoff, in der Ausnehmung, beispielsweise einer Nut, befestigt wird.

Dies erlaubt eine feste Verbindung zwischen Bauteil und Dehnungsmesselement, wobei die Gefahr einer Ablösung reduziert wird.

Ferner kann eine gute Weiterleitung der Dehnung an das Messelement gewährleistet werden. In dieser Ausgestaltung kann das wenigstens eine Dehnungsmesselement

dauerhaft am Bauteil verbleiben.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Dehnungsmesselements bündig mit der Oberfläche des Bauteils angeordnet ist, oder dass die Oberfläche des Dehnungsmesselements unterhalb der Oberfläche des Bauteils angeordnet ist. Dadurch wird ein möglichst guter Schutz des

Dehnungsmesselements ermöglicht.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass das Belastungselement als Belastungsrad, vorzugsweise als Eisenbahnrad, ausgebildet ist, wobei das Belastungsrad vorzugsweise einen derart abgerundeten Außenquerschnitt aufweist, dass die Kontaktfläche des Belastungselements mit dem Bauteil im Wesentlichen ellipsoidförmig ist. Gegebenenfalls kann das Belastungsrad also mehrere Teilkontaktflächen mit dem

Bauteil aufweisen.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass im ersten Messbereich und/oder im zweiten Messbereich jeweils wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier,

Dehnungsmesselemente vorgesehen sind.

Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass das Bauteil als metallisches Bauteil ausgebildet ist, beispielsweise als Tragprofil für Bauwerke oder als Schiene, insbesondere als Eisenbahnschiene.

Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil mit einem Messabschnitt, umfassend ein

Dehnungsmesselement, vorzugsweise mehrere Dehnungsmesselemente, zur

Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, sowie aus den Figuren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels im Detail erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel dient lediglich der detaillierten Beschreibung der Erfindung, soll den beanspruchten Schutzbereich jedoch nicht

einschränken.

Das Ausführungsbeispiel betrifft die Dehnungsmessung an einem Prüfstand zur Simulierung eines Schienenabschnittes mit einem belastenden Rad.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Bauteils mit einem Messabschnitt;

Fig. 2 eine seitliche Projektionsansicht des Bauteils mit dem Messabschnitt aus Fig. 1; und

Fig. 3 eine Projektionsansicht des Bauteils mit dem Messabschnitt aus Fig. 1 von oben.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Bauteils 1 mit einem Messabschnitt 6, wobei das Bauteil 1 als Schienenelement mit einer Längserstreckungsrichtung 7 ausgeführt ist. Im Messabschnitt 6 sind mehrere Dehnungsmesselemente 2 angeordnet, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Dehnungsmessstreifen ausgeführt sind. Jedes Dehnungsmesselement 2 weist eine Messrichtung 5, 5‘ auf, in welcher eine Dehnung detektierbar ist.

Die Dehnungsmesselemente 2 sind in Ausnehmungen 3 des Bauteils 1 angeordnet, wobei die Ausnehmungen 3 in diesem Ausführungsbeispiel als langgestreckte Nuten ausgeführt sind. Daher weist jede der Ausnehmungen 3 eine Haupterstreckungsrichtung auf. Die Messrichtungen 5, 5‘ der Dehnungsmesselemente 2 verlaufen parallel zur Haupterstreckungsrichtung der jeweiligen Ausnehmung 3 in der sie angeordnet sind.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Messabschnitt 6 einen ersten Messbereich 8 und einen zweiten Messbereich 9, wobei innerhalb jedes Messbereichs 8, 9 mehrere Ausnehmungen 3 mit zueinander parallel verlaufenden Haupterstreckungsrichtungen

vorgesehen sind.

Parallel zu diesen Haupterstreckungsrichtungen verlaufen die Messrichtungen 5, 5‘ der in der jeweiligen Ausnehmung 3 angeordneten Dehnungsmesselemente 2. Die Dehnungsmesselemente 2 im ersten Messbereich 8 weisen eine gemeinsame Messrichtung 5 auf. Die Dehnungsmesselemente 2 im zweiten Messbereich 9 weisen

eine gemeinsame Messrichtung 5‘ auf.

Die Messrichtung 5 im ersten Messbereich 8 ist gegenüber der Längserstreckungsrichtung 7 des Bauteils 1 in einem Winkel von etwa 5° angeordnet. Die Messrichtung 5‘ im zweiten Messbereich 9 ist gegenüber der Längserstreckungsrichtung 7 des Bauteils 1 im Wesentlichen orthogonal angeordnet.

Sowohl im ersten Messbereich 8 als auch im zweiten Messbereich 9 sind die Dehnungsmesselemente 2 entlang der Haupterstreckungsrichtung der Ausnehmungen 3 versetzt angeordnet. Dadurch ergibt sich eine unterschiedliche Positionierung der

Dehnungsmesselemente 2 entlang der konvexen Kontaktoberfläche 10.

Während im zweiten Messbereich 9 in einer Ausnehmung 3 zwei Dehnungsmesselemente 2 angeordnet sind, ist im ersten Messbereich 8 in einer

Ausnehmung nur ein Dehnungsmesselement 2 angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine seitliche Projektionsansicht des Bauteils 1 mit dem Messabschnitt 6 aus Fig. 1. Zusätzlich ist mit strichlierter Linie die Kontur eines auf das Bauteil 1 aufgesetzten Belastungselements 4 gezeigt. Das Belastungselement 4 ist in diesem Beispiel als Belastungsrad ausgeführt.

Fig. 3 zeigt eine Projektionsansicht des Bauteils 1 mit dem Messabschnitt 6 aus Fig. 1

von oben. Anstelle des in Fig. 2 schematisch dargestellten Belastungselements 4 ist in Fig. 3 der Kontaktpfad 11 mit strichlierten Linien dargestellt.

Der Kontaktpfad 11 entspricht jener Fläche, mit der das Belastungselement 4 direkt in Kontakt kommt, wenn es linear über den Messabschnitt 6 bewegt wird. Das Belastungsrad weist in diesem Ausführungsbeispiel einen konkaven radialen Querschnitt auf und kommt daher nur an zwei zueinander im Wesentlichen parallel

verlaufenden Kontaktpfaden 11 in Kontakt.

Die Kraftbeaufschlagung zu einem diskreten Zeitpunkt erfolgt jeweils über eine Kontaktellipse 12. Die Kontaktellipse 12 bildet also die Kontaktfläche des Belastungselements 4 mit dem Bauteil 1.

Über die erfindungsgemäße Anordnung der Dehnungsmesselemente 2 können die Kontaktspannungen an unterschiedlichen Positionen des Bauteils 1 gemessen werden. Durch die bekannte und wohldefinierte Ausrichtung der Dehnungsmesselemente 2 kann auch die Richtung der entstehenden Spannung bestimmt werden, wodurch ein Dehnungsprofil des Bauteils 1 ermittelt werden kann. Insbesondere kann eine Dehnungsmessung auch in jenen Bereichen durchgeführt werden, die nicht direkt mit dem Belastungselement 4 in Kontakt stehen.

Ohne vom grundlegenden Gedanken dieser Erfindung abzuweichen, kann das erfindungsgemäße Verfahren alternativ zur Dehnungsmessung in Wälzlagern, Brückenund Bauwerkslagern, Zahnrädern, Förderanlagen, Krananlagen und dergleichen

eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Bauteil

2 Dehnungsmesselement 3 Ausnehmung

4 Belastungselement

5,5‘ Messrichtung 6 Messabschnitt

7 Längserstreckungsrichtung des Bauteils 8 erster Messbereich 9 zweiter Messbereich

10 Kontaktoberfläche 11 Kontaktpfad 12 Kontaktellipse

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung der Verformung eines belastbaren oder belasteten Bauteils (1), umfassend die Schritte:

a. Befestigen eines Dehnungsmesselements (2) in einer Ausnehmung (3), vorzugsweise in einer Nut, des Bauteils (1) zur Bildung eines Messabschnitts (6), wobei das Dehnungsmesselement (2) eine Messrichtung (5, 5‘) aufweist, in welcher eine Dehnung und/oder Stauchung des Dehnungsmesselements (2) detektierbar ist,

b. Belasten des Messabschnitts (6) des Bauteils (1) durch Druckbeaufschlagung mit einem Belastungselement (4), und

c. Messen der Dehnung des Dehnungsmesselements (2) zur Bestimmung der Verformung des Bauteils (1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (3), vorzugsweise die Nut, eine Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei die Messrichtung (5, 5°) des Dehnungsmesselements (2) im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Ausnehmung (3) verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dehnungsmesselemente (2) in mehreren Ausnehmungen (3) des Bauteils (1) befestigt werden, und/oder dass mehrere Dehnungsmesselemente (2) in einer Ausnehmung (3) des Bauteils (1) befestigt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrichtungen (5, 5°) von wenigstens zwei Dehnungsmesselementen (2) in einem Winkel zueinander angeordnet sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

Messrichtungen (5, 5‘) von wenigstens zwei Dehnungsmesselementen (2) parallel zueinander angeordnet sind.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnungsmesselement (2) als Dehnungsmessstreifen oder als Faser-BraggGitter-Sensor ausgebildet ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungselement (4) linear, vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit und konstanter Kraftbeaufschlagung, und im Wesentlichen normal zur Richtung der Druckbeaufschlagung über den Messabschnitt (6) geführt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das

Bauteil (1) ein längliches Bauteil (1) mit einer Längserstreckungsrichtung (7) ist,

und

- dass die Messrichtung (5, 5‘) wenigstens eines Dehnungsmesselements (2) in einem Winkel zwischen 0° und 45° relativ zur Längserstreckungsrichtung (7) des Bauteils (1) angeordnet ist, und/oder

- dass die Messrichtung (5, 5‘) wenigstens eines weiteren Dehnungsmesselements (2) in einem Winkel zwischen 80° und 110°, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 90° relativ zur Längserstreckungsrichtung (7) des Bauteils (1) angeordnet ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

- dass ein erster Messbereich (8) vorgesehen ist, in dem mehrere Dehnungsmesselemente (2) vorgesehen sind, wobei die Messrichtungen (5, 5‘) der Dehnungsmesselemente (2) im ersten Messbereich (8) parallel zueinander ausgerichtet sind,

- dass ein zweiter Messbereich (9) vorgesehen ist, in dem mehrere Dehnungsmesselemente (2) vorgesehen sind, wobei die Messrichtungen (5, 5‘) der Dehnungsmesselemente (2) im zweiten Messbereich (8) parallel zueinander ausgerichtet sind, und

- dass die Messrichtungen (5, 5°) der Dehnungsmesselemente (2) im ersten Messbereich (8) und im zweiten Messbereich (9) in einem Winkel, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 90° zueinander angeordnet sind.

11.

12.

13.

14.

15.

12 — 58629/AG/MB Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Lemböckgasse 63/2, 1230 WIEN (AT)

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmesselemente (2) im ersten Messbereich (8) und/oder im zweiten Messbereich (9) entlang der Haupterstreckungsrichtung von parallel verlaufenden Ausnehmungen (3) zueinander versetzt angeordnet sind.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnungsmesselement (2) mit einem härtbaren Polymermaterial, vorzugsweise mit Polymerharz oder mit Klebstoff, in der Ausnehmung (3) befestigt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Dehnungsmesselements (2) bündig mit der Oberfläche des Bauteils (1) angeordnet ist, oder dass die Oberfläche des Dehnungsmesselements (2) unterhalb der Oberfläche des Bauteils (1) angeordnet ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungselement (4) als Belastungsrad, vorzugsweise als Eisenbahnrad, ausgebildet ist, wobei das Belastungsrad vorzugsweise einen derart abgerundeten Außenquerschnitt aufweist, dass die Kontaktfläche des Belastungselements (4) mit dem Bauteil (1) im Wesentlichen ellipsoidförmig ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) als metallisches Bauteil (1) ausgebildet ist, beispielsweise als Tragprofil für Bauwerke oder als Schiene, insbesondere als Eisenbahnschiene.

Bauteil mit einem Messabschnitt (6), umfassend ein Dehnungsmesselement (2),

vorzugsweise mehrere Dehnungsmesselemente (2), zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14.