DE102008018238A1 - Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Überwachung des Betriebszustandes von Bauteilen aus Elastomeren - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Überwachung des Betriebszustandes von Bauteilen aus Elastomeren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Erfassung eines Betriebszustandes von elastischen Bauteilen (9), insbesondere Fördergurten, Förderbändern oder Riemen mit einem elastischen Bauteil (9), das eine bandförmige Gestalt hat und in einer Bandumlaufrichtung mindestens einen ersten Messbereich (3) und mindestens einen zweiten Messbereich (1) aufweist, wobei der erste Messbereich (3) eine zumindest über die Zeit schneller abnehmende Zugfestigkeit als der zweite Messbereich (1) aufweist und in den Messbereichen (1, 3) des elastischen Bauteils Elastomerencoder (8, 8') eingebettet sind, einer Sensorstation (15), mit der von den Elastomerencoder (8, 8') ausgehende magnetische Felder beim Passieren der Sensorstation (15) detektierbar und in Ausgangssignale unwandelbar sind, und einer Prozesseinheit (16), die von der Sensoreinheit (15) ausgesendete Signale empfängt, zu Dehnungsdaten verarbeitet, und damit eine erste Dehnung der Elastomerencoder (8) die sich in einem ersten Messbereich befinden und eine zweite Dehnung der Elastomerencoder (8') die sich in einem zweiten Messbereich des elastischen Bauteils befinden, bestimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur zerstörungsfreien in-situ-Überwachung des Betriebszustandes von Bauteilen aus Kunststoffen, insbesondere elastomeren Werkstoffen (Gummi), wobei die Bauteile vorzugsweise als quasi-endlose Riemen, Gurte oder Bänder ausgebildet sein können und verschiedene ingenieurtechnische Funktionen ausüben (z. B. Kraftübertragung, Transport von Schüttgütern, etc.). Ebenso denkbar sind elastomere Bauteile, die während ihres Einsatzes einer Schub-, Biege-, Zug- und/oder Druckbelastung ausgesetzt sind, wobei diese eine Verformung der Bauteile bewirken.
  • Elastomere besitzen aufgrund ihrer makromolekularen Struktur (Hochpolymere) sowie einer weitmaschigen Vernetzung ihrer Molekularketten einen sehr spezifischen, von den metallischen Werkstoffen unterschiedlichen Spannungs/Verformungs-Mechanismus. Sie zeigen beispielsweise thermodynamisch entropieelastisches Verhalten, d. h. dass bei einer Verformung unter Dehnung der geknäulten Kettenmoleküle der statistisch wahrscheinliche Anordnungszustand dieser abnimmt, jedoch ein höherer Ordnungszustand erreicht wird (unwahrscheinlicher Zustand mit abnehmender Entropie). Nach der Verformung sind die Makromoleküle bestrebt, den Anfangszustand idealer statistischer Unordnung mit maximaler Entropie wieder einzunehmen. Polymerwerkstoffe wie Elastomere sind viskoelastische Stoffe, d. h. dass der Verformungsvorgang sowohl durch elastische als auch viskose Verformungen geprägt ist.
  • Bei rein elastischer Verformung wird die gespeicherte Energie nach der Entlastung wieder abgegeben, viskose Deformationen hingegen bewirken eine Umwandlung der Verformungsenergie in Wärme. Diese viskosen Anteile bewirken eine starke Zeit-, Temperatur-, Frequenz- und Amplitudenabhängigkeit der die Verformung charakterisierenden Stoffdaten.
  • Je nach Beanspruchung der Bauteile machen sich diese Abhängigkeiten in verschiedenen Materialeffekten deutlich. Elastomere zeigen unter definierten Belastungen, ob statisch, quasistatisch oder dynamisch aufgebracht, Erscheinungen der Spannungsabnahme bei konstanter Verformung (Relaxation) oder eine Verformungszunahme bei konstanter Spannung (Fließen oder Kriechen; Retardation), d. h. dass bei mehrmaliger Deformation ein immer größerer Weg zu absolvieren ist, um die gleiche Kraft zu erzielen. Dynamische Beanspruchungen machen sich ebenso in Spannungserweichungen oder frequenz- und/oder amplitudenabhängigen Modulabweichungen bemerkbar. Diese besonderen Gesetzmäßigkeiten gilt es zu beachten, wenn das Betriebsverhalten von elastomeren Bauteilen unter praxisgerechten Beanspruchungen überwacht werden soll.
  • Andererseits bietet dieses charakteristische Materialverhalten auch die Möglichkeit, Abweichungen des für jedes Bauteil typischen Spannungs/Verformungs-Verhaltens aufzuzeichnen und Normalzustände mit abweichenden Zuständen zu vergleichen. Die Definition der Abweichung bzw. des Erreichens einer sogenannten Schadensgrenze setzt die Kenntnis des unter den Betriebsbedingungen als Werkstoff- und bauteilgerecht, d. h. normal ablaufenden Prozesses voraus. Dabei sind sowohl kontinuumsmechanische als auch in erster Linie bruchmechanische Gesetzmäßigkeiten zu beachten.
  • Eine Betriebsfestigkeits- bzw. Lebensdauerprognose aufzustellen, setzt eine langjährige Betriebserfahrung sowie ein fachspezifisches Knowhow sowohl des Komponenten-Lieferanten als auch des Anlagenbetreibers voraus und ist Aufgabe des technischen Fachpersonals z. B. einer Gurtförderanlage, welches mit der Bedienung, Betreuung, Instandhaltung und Wartung betraut ist. Gurtförderer sind wesentliche technische Hilfsmittel zur Gewinnung und zum Transport von Schüttgütern. Sie werden u. a. in der Kohle-, Erz- und Mineralstoffindustrie eingesetzt und finden sowohl im Bergwerk unter Tage als auch im Tagebaubetrieb über Tage eine immer größer werdende Verwendung. Neben der Konstruktion der Förderanlagen sowie deren wichtigsten Maschinenelementen wie Antrieben, Kupplungen, Bremsen, Trag-Antriebs-, Umlenk-, Spannungs- und Knickrollen bzw. -trommeln gehört der zur Aufnahme der Schüttgüter vorgesehene Fördergurt zu den Anlagenkomponenten, die im besonderen Interesse aller Instandhaltungsbestrebungen stehen, da sie sich im direkten Kontakt zum oftmals stark abrasiven Schüttgut befinden und somit besonderem Verschleiß ausgesetzt sind.
  • Je nach fördertechnischer Anforderung kommen Fördergurte als Stahlseil-, Textil- oder Aramidfaser-Fördergurte zum Einsatz. Zum Zwecke der Verstärkung der elastomeren Materialkomponente mit der Zielstellung der Gewährleistung und Einhaltung höchster Materialfestigkeitswerte sowie der Erfüllung maximierter Betriebsanforderungen bei erstrebter längstmöglicher Betriebseinsatzdauer sind diese mit Stahlseilen, Textilien oder Fasern derart versehen, dass sie in Hauptbeanspruchungs-(Transport-)Richtung höchsten Belastungen Widerstand entgegenzusetzen in der Lage sind.
  • Fördergurte sind anlagenspezifisch so ausgebildet, dass sie einen endlosen Umlauf entlang der projektierten Förder- bzw. Transportstrecke absolvieren können. Der Endlos-Verschluss wird dadurch realisiert, dass zwei Endstücke mittels spezieller Verbindungsverfahren verbunden sind. Diese Technik wird auch zur partiellen Erneuerung des Fördergurtes durch Austausch verschlissener Teilstücke mit Neuteilen oder regenerierten Gurtsegmenten eingesetzt.
  • Da in diesem Fall die direkte Verbindung der Verstärkungsmaterialien unterbrochen bzw. geschwächt ist, verdient diese Verbindungssektion besondere Aufmerksamkeit bei betriebsfestigkeitsbedingten Inspektionen. Durch besondere Überlappungstechniken der Verstärkungselemente wird erreicht, dass sich die Übertragungs- bzw. Gurtkraft in das andere, zu verbindende Element einleiten lässt, wobei das dazwischengelagerte elastomere Material auf Schub beansprucht wird. Somit ist das Langzeit-Spannungsverformungsverhalten der beteiligten Elastomerschichten für die Erreichung einer hohen Betriebsfestigkeit bzw. Lebensdauer der Fördergurte maßgebend. Dies trifft auch zu, wenn durch Beschädigung der Verstärkungslagen (Riss, Durchschlag, Bruch) deren Wirkung aufgehoben oder eingeschränkt ist und die elastomeren Schichten erhöhten Beanspruchungen ausgesetzt sind. Es nimmt nicht Wunder, dass es in der Vergangenheit viele Versuche gegeben hat, durch eine Vielzahl von Überwachungstechniken das Versagen das Fördergurtes, insbesondere jedoch der Verbindung als eine der kritischen Bauteilregionen vorauszubestimmen und damit einen Störfall bzw. einen Anlagenstillstand mit weitreichenden volks- und betriebswirtschaftlich negativen Folgen zu vermeiden.
  • Neben den üblicherweise stark subjektiv beeinflussbaren manuellen Kontrollen an besagten Förderanlagen, die aus verschiedenen betriebswirtschaftlichen Gründen nicht permanent zu gewährleisten sind, haben sich insbesondere technische Lösungsansätze durchgesetzt, die immer mehr neue Erkenntnisse der Elektronik, Sensorik und Datenverarbeitung nutzen. Von Vorteil ist, dass sich infolge der Bandbeobachtungen die Möglichkeit eröffnet hat, die typischen Schadensbilder und -phänomene statistisch zu erfassen und in Form eines kausalen Ursachen-Wirkungs-Zusammenhanges darzustellen. Es muss dabei zwischen Schäden unterschieden werden, die durch eventuelle Material- oder Fertigungsfehler a priori bedingt oder prozessabhängig initiiert oder a posteriori als Folge von Überlastungen auftreten.
  • Prozessbedingt sind Deckplattenschäden (Durchschläge, Risse) des Fördergurtes, insbesondere an der Trag- und Laufseite durch Verschleiß (impact wear), Abrasion (abrasion wear), Reibung (adhesive wear), Erosion (erosional wear) und Ermüdung (fatigue wear) sowie deren Kombinationen (combined wear) als Reduktion oder havarieähnliche Störungen festzustellen. Dies trifft auch für sogenannte Kantenschäden zu. Ablösung von Materialschichten hat oft ihre Ursache in Werkstoff- und fertigungs- bzw. montagebedingten Prozessen und führen immer zu Schwächungen des Gurtmaterials und/oder der Verbindung. Dies betrifft in erster Linie eine Schwächung der Verbindung zwischen neu aufgebrachtem (Verbindungs-)Material und des mit Elastomeren verbundenen Verstärkungsmaterials (Karkasse). Diese Schäden äußern sich im Gebiet höchster Spannungskonzentration, d. h also unmittelbar jeweils beidseitig vor oder direkt in der Kontaktzone, die aus Verbindungs- und Basismaterial gebildet wird oder in den Zonen, wo sich die Seilenden beider Verbindungsseiten ungebunden gegenüber stehen.
  • Die Belastung der eigentlichen Verbindungslänge ist infolge der Schubspannungsübertragung des Verbindungselastomer mit den Zugträgern relativ überschaubar und im Vergleich zur Kontaktzone stabiler, ohne jedoch das Festigkeitsniveau des Original-Gurtmaterials zu erreichen.
  • Die Druckschrift US 4,020,945 beschreibt ein Verfahren, bei dem durch Anbringen von Markierungen am Anfang und am Ende der Verbindung, eine Längenänderung zwischen den Markierungen mittels sensorischer Erfassung nachweisbar ist. Durch Permanentmagnete ausgelöste Zeitimpulse definieren eine „kritische Dehnung” als Schadensbeginn.
  • Ebenso unter Verwendung der RFID-(Transponder-)Technik ist in der DE 196 03 578 ein Überwachungsverfahren dargestellt, welches nach dem Prinzip arbeitet, dass durch eine erhöhte unzulässige Belastung in einem Fördergurt eingebrachte Transponder, eingebunden in integrierte Schaltkreise nicht mehr in der Lage sind, an die an der Förderanlage angeordnete Sende- und Empfangsstation Signale auszusenden.
  • Magnetinduktive Prüfungen an Fördergurten ermöglichen einen Einblick in das Innere einer vermutet geschädigten Sektion. Eine Interpretation ist erschwert und muss dann durch eine zusätzliche Röntgentechnik gestützt werden.
  • Die Verwendung energiereicher (Röntgen-)Strahlen ist in der DE 10 2004 061 367 erwähnt. Nach Durchstrahlung des Gurtes wertet ein Prozessrechner das erhaltene Ergebnis aus. Die Zuordnung zur Schadensstelle erfolgt mit Hilfe von Markierungen (Magnete, Encoder).
  • Eine ähnliche Lösung ist in der DE 2004 00 1899 ( WO 2005/023688 ) zu finden. Mit Hilfe opto-elekronischer Systeme und anschließender Auswertung durch einen Prozessrechner gelingt es, die Gurtoberfläche großflächig zu überwachen. Der Fördergurt und damit die Verbindung ist in endliche Abschnitte unterteilt, die sich durch Startmarkierungen in Form von mit einem Prozessrechner gekoppelten Encodern begrenzen lassen.
  • In den Gurt bzw. die Verbindung eingearbeitete sogenannte Leiterschleifen nach US 4854446 werden erwähnt, die induktiv gekoppelt bei der Verletzung infolge hoher Gurtbeanspruchung eine Veränderung des Messsignals bewirken.
  • Aus den dargestellten Betriebserfahrungen ist zu schlussfolgern, dass Weiterentwicklungen der Technik der mittels magnetischen Messmarken ermittelten Längenänderungen der Verbindungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und verringerter Anfälligkeit in Angriff genommen werden sollten. Als Schadenskriterium wird eine Vergrößerung der Verbindungslänge (7 m lang) von 1‰ festgelegt, da dies bereits einer Verdoppelung des Streubereichs von 3 mm entspricht.
  • Neuere Untersuchungen zur Bestimmung und Berechnung der Bauteilfestigkeit bzw. Lebensdauer von elastomeren Werkstoffen sowie zur Verfeinerung der Prüftechnik unter Anwendung neuer dynamischer Risswachstumsuntersuchungen (Tear Fatigue Analyser-Test (TFA)) unter Einbeziehung kontinuums- und bruchmechanischer Materialansätze gestatten es, das Versagensverhalten von Elastomeren präziser zu beschreiben und den Schadensfortlauf besser zu bewerten. In spannungsbestimmten Prozessen wie in einer Gurtförderanlage interessieren dabei die verformungsbezogenen Kennwerte. Danach ist es erforderlich, um zu einer eindeutigeren Bestimmung bzw. messtechnisch zuverlässigen Erfassung eines Materialschadensbeginnes in einem Bauteil zu gelangen, insbesondere die Zonen kritischer Verformungen und Spannungen hochauflösend zu detektieren, um verschiedene Bereiche des Schadensverlaufes definieren zu können.
  • Alle bisher bekannten Verfahren und Methoden besitzen den Nachteil, dass sie die teilweise sehr engen Zonen der Bruchimitiierung und des Risswachstums am Bauteil als Ausgangspunkt des Versagens nicht präzise erfassen und somit relativ unzuverlässige Werte für die Lebensdauerprognose liefern. Diese sind jedoch erforderlich, um eine Entscheidung zu treffen, dass in einem bestimmen Versagensstadium befindliche Bauteil zumindest partiell zu reparieren bzw. zu ersetzen sind. Eine weitere Schwierigkeit ist in der Tatsache zu sehen, dass die Zuordnung zum Schadensort, d. h. die Identifikation mit zwei unterschiedlichen Systemen realisiert wird, welche zusätzliche Fehlerquelle beinhaltet.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein lokal hochauflösendes Messsystem zur zerstörungsfreien Erfassung des Betriebszustandes von elastischen Bauteilen, insbesondere von Fördergurten, Förderbänder oder Riemen, anzugeben, die statisch und/oder dynamisch belastete Bauteile in-situ sicher und zuverlässig überwachen können.
  • Darüber hinaus soll das Messsystem in der Lage sein, den Messort genau als integrierte Messaufgabe ohne gesonderte Zusatzmesseinrichtungen identifizieren bzw. lokalisieren zu können und infolge der besonderen Anordnung der Messstellen sich eine zusätzliche Möglichkeit eröffnet, eine Reihe weiterer Überwachungsfunktionen zu übernehmen (z. B. Bandschieflauf, Verschleiß). Weiterhin soll ein Auswertungsverfahren bereitgestellt werden, mit dessen Hilfe es möglich ist, kritische Bauteilzustände sicher zu erfassen.
  • Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die Vorrichtung zur zerstörungsfreien Erfassung eines Betriebszustandes von elastischen Bauteilen, insbesondere Fördergurten, Förderbändern oder Riemen kann mindestens ein elastisches Bauteil aufweisen, das eine bandförmige Gestalt hat und in einer Bandumlaufrichtung mindestens einen ersten Messbereich und/oder mindestens einen zweiten Messbereich aufweist, wobei in den Messbereichen des elastischen Bauteils Elastomerencoder eingebettet sein können. Weiterhin kann eine Sensorstation vorgesehen sein, mit der von den Elastomerencodern ausgehende magnetische Felder beim Passieren der Sensorstation detektierbar und in Ausgangssignale unwandelbar sind. Weiterhin kann eine Prozesseinheit vorgesehen sein, die von der Sensoreinheit ausgesendete Signale empfängt, zu Dehnungsdaten verarbeitet, und damit eine erste Dehnung der Elastomerencoder, die sich in einem ersten Messbereich befinden und/oder eine zweite Dehnung der Elastomerencoder, die sich in einem zweiten Messbereich des elastischen Bauteils befinden, bestimmen. Dabei kann die Prozesseinheit eine erste Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und einem ersten vorbestimmten Dehnungswert ermitteln und/oder eine zweite Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und der zweiten Dehnung ermitteln und/oder basierend auf der ermittelten Dehnungsdifferenz einen Betriebszustand des elastischen Bauteils bestimmen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass zur Erfassung des Betriebszustandes und somit zur Überwachung des Verschleißes die Gurtfördervorrichtung nicht angehalten bzw. demontiert werden muss. Somit kann die Fördervorrichtung permanent in Betrieb gehalten werden wodurch die Standzeit reduziert wird. Darüber hinaus wird die Anzahl der Bauteile verringert, da für die Erfassung der Förderbandgeschwindigkeit und des Förderbandverschleißes dieselben Encoder verwendet werden. Durch die Referenzmessung in den zweiten Messbereichen können Fehlmessungen aufgrund von Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Temperatur, Druck und Feuchtigkeit verhindert werden.
  • Dabei kann der erste vorbestimmte Dehnungswert einer maximal zulässigen Dehnung des zu untersuchenden Bauteils entsprechen. Dieser Wert kann in einem Speicher oder einer Datenbank abgelegt sein. Die Datenbank kann in Form einer Tabelle vorliegen mit Dehnungswerten, die je nach Material, Alter, Umgebungsbedingungen des Bauteils, variieren. Entsprechend dieser Kriterien wird ein erster Dehnungswert aus der Tabelle vorbestimmt. Die erste und die zweite Dehnungsdifferenz werden mit einem ersten bzw. zweiten Wert verglichen. Dieser erste bzw. zweite Wert entspricht einer maximal zulässigen Dehnungsdifferenz des zu untersuchenden Bauteils. Diese Werte können in einem Speicher oder einer Datenbank abgelegt sein. Die Datenbank kann eine Tabelle mit Dehnungsdifferenzwerten aufweisen, die je nach Material, Alter, Umgebungsbedingungen des Bauteils, variieren können. Entsprechend dieser Kriterien wird ein erster bzw. zweiter Wert aus der Tabelle vorbestimmt.
  • Weiterhin kann der erste Messbereich ein Bereich sein, in dem zwei Enden des elastischen Bauteils miteinander verbunden sind. Weiterhin kann der erste Messbereich eine zumindest über die Zeit schneller abnehmende Zugfestigkeit als der zweite Messbereich aufweisen.
  • Weiterhin kann die Prozesseinheit, wenn die ermittelte erste Dehnungsdifferenz einen ersten vorbestimmten Wert übersteigt oder die ermittelte zweite Dehnungsdifferenz einen zweiten vorbestimmten Wert übersteigt, zumindest ein vorbestimmtes Betriebszustandssignal ausgeben.
  • Weiterhin kann das Betriebzustandssignal einem aktuellen Dehnungszustand oder einem Dehnungszustand entsprechen, bei dem die erste Dehnungsdifferenz den ersten vorbestimmten Wert überschreitet oder die zweite Dehnungsdifferenz den zweiten vorbestimmten Wert überschreitet.
  • Weiterhin können die mit der Sensorstation detektierbaren magnetischen Felder wechselnde Polarität aufweisen, die Dehnung des elastischen Bauteils gleichzeitig mit der Umlaufgeschwindigkeit des elastischen Bauteils bestimmbar sein, und/oder ein zweiter, parallel eingebetteter, als Barcode magnetisierten Elastomerencoder sowie mindestens ein zusätzlicher Sensor in der Sensorstation vorgesehen sein, wobei mit dem zusätzlichen Elastomerencoder eine Bandsektion eindeutig identifizierbar sein kann.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung eine Sensorstation mit mindestens zwei analogen Sensoren mit Vorverstärker und/oder eine lokale Prozessoreinheit aufweisen.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung einen zweiten, parallel eingebetteten, als Barcode magnetisierten Elastomerencoder und/oder mindestens einen zusätzlichen, dritten Sensor in der Sensorstation aufweisen, wobei mit dem zusätzlichen Elastomerencoder eine Bandsektion eindeutig identifizierbar ist.
  • Damit kann auf besonders einfache Weise die zu überwachende Bandsektion eindeutig identifiziert werden.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung bei der Dehnungsmessung die Dehnung durch unabhängige Messungen doppelt bestimmen.
  • Somit kann eine Verbesserung der Redundanz erzielt werden.
  • Weiterhin kann mit der Vorrichtung die Dehnung lokalisiert, vorzugsweise mit einer Ortsauflösung von einer Polbreite, von maximal 50 mm, bestimmbar sein.
  • Weiterhin kann mit der Vorrichtung die Dehnung lokalisiert, vorzugsweise mit einer Ortsauflösung von zwei Polbreiten, von maximal 100 mm, bestimmbar sein.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder durch Zugabe eines Füllstoffes herstellbar sein, wobei der Füllstoff Strontiumferrit (SrFeO) und/oder eine Eisen-Legierung (NdFeB) sein kann, wobei der Elastomerencoder durch Zugabe eines Füllstoffes von 20 bis 40 vol.% Strontiumferrit (SrFeO), bevorzugt jedoch 30 vol.% Strontiumferrit (SrFeO), und/oder von 5 bis 30 Vol% Eisen-Legierung (NdFeB) modifizierten Elastomermischung herstellbar sein kann und von unmagnetischem Material überdeckt sein kann.
  • Weiterhin können durch die Zugabe dieses Füllstoffes die mechanisch-physikalischen Eigenschaften des Vulkanisates des Elastomerencoders nur unwesentlich veränderbar sein.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder als Band und/oder Platte mit einer Dicke von 1 mm bis 5 mm sowie Abmessungen bevorzugt von 1000 mm Länge und 100 mm Breite vorliegen und/oder aus derartigen Bänder und/oder Platten zusammensetztbar sein.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder sowohl vor dem Einbau in das elastische Bauteil (eine Fördervorrichtung) als auch nach dessen Einbau mittels der Impulsmagnetisiertechnik, bei Verwendung speziell modifizierter Elastomermischungen, magnetisierbar sein.
  • Weiterhin können die Polbreiten oder Polabständen des Elastomerencoders von 20 mm bis 50 mm, bevorzugt jedoch 40 mm betragen.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet sein, dass die Ausrichtung der Elastomerencoder maximal 5° von der Förderrichtung oder Fahrrichtung der Fördervorrichtung abweicht.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder mit den für Elastomere entwickelten Fügeverfahren in der Fördervorrichtung befestigbar sein kann.
  • Weiterhin kann eine Breite des Elastomerencoders an eine Messbreite der Sensorik so anpassbar sein, dass bei extremem Bandschieflauf der Fördervorrichtung die Sensorik den Messbereich des Elastomerencoders nicht mehr erreicht und somit eine Fehlermeldung auslösbar sein kann.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder so codiert sein, dass seine Einbaustelle identifizierbar sein kann.
  • Weiterhin kann eine Vorrichtung zum Fördern von Gütern zumindest aus einem elastischen Bauteil bestehen, das eine bandförmige Gestalt haben kann und in einer Bandumlaufrichtung mindestens einen ersten Messbereich und/oder mindestens einen zweiten Messbereich aufweisen kann. Dabei können in den Messbereichen des elastischen Bauteils Elastomerencoder eingebettet sein. Weiterhin kann eine Sensorstation vorgesehen sein, mit der von den Elastomerencoder ausgehende magnetische Felder (Impulse) beim Passieren der Sensorstation detektierbar und in Ausgangssignale unwandelbar sind. Weiterhin kann eine Prozesseinheit vorgesehen sein, die von der Sensoreinheit ausgesendeten Signale empfängt, zu Dehnungsdaten verarbeitet, und damit eine erste Dehnung der Elastomerencoder die sich in einem ersten Messbereich befinden und/oder eine zweite Dehnung der Elastomerencoder die sich in einem zweiten Messbereich des elastischen Bauteils befinden, bestimmen. Weiterhin kann die Prozesseinheit eine erste Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und einem ersten vorbestimmten Dehnungswert ermitteln und/oder eine zweite Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und der zweiten Dehnung ermitteln und/oder basierend auf der ermittelten Dehnungsdifferenz einen Betriebszustand des elastischen Bauteils bestimmen.
  • Weiterhin kann der erste Messbereich ein Bereich sein, in dem zwei Enden des elastischen Bauteils miteinander verbunden sind. Weiterhin kann der erste Messbereich eine zumindest über die Zeit schneller abnehmende Zugfestigkeit als der zweite Messbereich aufweisen.
  • Weiterhin kann die Prozesseinheit, wenn die ermittelte erste Dehnung einen ersten vorbestimmten Wert übersteigt oder die ermittelte Dehnungsdifferenz einen zweiten vorbestimmten Wert übersteigt, zumindest ein vorbestimmtes Betriebszustandssignal ausgeben.
  • Weiterhin kann das Betriebzustandssignal einem aktuellen Dehnungszustand oder einem Dehnungszustand entsprechen, bei dem die Dehnung den ersten vorbestimmten Wert überschreitet oder die Dehnungsdifferenz den zweiten vorbestimmten Wert überschreitet.
  • Weiterhin kann zumindest eine Laufseite und zumindest eine Tragseite vorgesehen sein, wobei zwischen der Laufseite und der Tragseite dehnfähige Elastomerencoder eingebettet sind, die geeignet sind wechselnde magnetische Signale auszugeben.
  • Weiterhin können die Elastomerencoder in einem bestimmten Legeschema eingebettet sein, welches mit der Anordnung von Sensoren einer Sensorstation korrespondiert.
  • Weiterhin können über die Breite der Vorrichtung zum Fördern von Gütern verteilt, mindestens drei Elastomerencoder in den Übergangszonen, welche sich bis in Auslenkzonen von Seilen oder eine Versetzungszone von Seilenden erstrecken können, und/oder sich in Seilendabstandszonen befinden.
  • Weiterhin können zwischen Verbindungen der Vorrichtung mindestens drei Referenz-Elastomerencoder jeweils in der Mitte sowie in den rechten und linken Randbereichen angeordnet sein.
  • Weiterhin können die Elastomerencoder in einem von der Messausstattung der Sensorstation abhängigen Abstand von der Laufseite, von der Tragseite und/oder von der oberen und/oder unteren Ebene von Stahlseilen, in Abhängigkeit ihres Seildurchmessers, befinden.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder in einer Übergangszone mit einer Hälfte seiner Baulänge in einer Gurtseite und mit der anderen Hälfte in einer Verbindungsseite verankert sein.
  • Weiterhin können die Elastomerencoder in einer Seilendenabstandszone so positioniert sein, dass sie beide Seilenden überdecken.
  • Weiterhin kann eine Sensorstation, mit der von Elastomerencodern ausgehende magnetische Felder bei deren Passieren der Sensorstation detektierbar und in Ausgangssignale unwandelbar sind, vorgesehen sein. Dabei können die Elastomerencoder in Messbereichen eines elastischen Bauteils, das eine bandförmige Gestalt hat eingebettet sein. Dabei kann das elastische Bauteil in einer Bandumlaufrichtung mindestens einen ersten Messbereich und mindestens einen zweiten Messbereich aufweisen. Weiterhin kann eine Prozesseinheit vorgesehen sein, die von der Sensoreinheit ausgesendeten Signale empfängt, zu Dehnungsdaten verarbeitet, und damit eine erste Dehnung der Elastomerencoder die sich in einem ersten Messbereich befinden und/oder eine zweite Dehnung der Elastomerencoder die sich in einem zweiten Messbereich des elastischen Bauteils befinden, bestimmen. Weiterhin kann die Prozesseinheit eine erste Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und einem ersten vorbestimmten Dehnungswert ermitteln und/oder eine zweite Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und der zweiten Dehnung ermitteln und/oder basierend auf der ermittelten Dehnungsdifferenz einen Betriebszustand des elastischen Bauteils bestimmen
  • Weiterhin kann der erste Messbereich ein Bereich sein, in dem zwei Enden des elastischen Bauteils miteinander verbunden sind. Weiterhin kann der erste Messbereich eine zumindest über die Zeit schneller abnehmende Zugfestigkeit als der zweite Messbereich aufweisen.
  • Weiterhin kann die Prozesseinheit, wenn die ermittelte erste Dehnung einen ersten vorbestimmten Wert übersteigt oder die ermittelte Dehnungsdifferenz einen zweiten vorbestimmten Wert übersteigt, zumindest ein vorbestimmtes Betriebszustandssignal ausgeben.
  • Weiterhin kann das Betriebzustandssignal einem aktuellen Dehnungszustand oder einem Dehnungszustand entsprechen, bei dem die Dehnung den ersten vorbestimmten Wert überschreitet oder die Dehnungsdifferenz den zweiten vorbestimmten Wert überschreitet.
  • Weiterhin kann die Sensorstation an einer Gurtförderanlage positionierbar sein, wobei sie je nach Kopf- oder Heckantriebsituation, sowohl auf der Laufseite eines Obertrums als auch der Lauf- und Tragseite eines Untertrums, der Gurtförderanlage, positionierbar ist.
  • Weiterhin kann die Sensorstation je nach Anlagensituation in der Nähe einer Gurtfördertrommel, einem Rollensystem und/oder einer Andrückrolle in Form einer Stütz- oder Anpresstrommel positionierbar sein, wobei ihr Abstand zur Laufseite des Fördergurtes minimal ist und/oder die Sensorstation direkt auf diesem aufliegt.
  • Weiterhin kann die Sensorstation je nach Anlagensituation zwischen einer Schüttgutaufgabestelle und/oder einer Schüttgutübergabe oder Schüttabwurfstelle im Unter- oder Obertrum an der Laufseite montierbar sein.
  • Weiterhin kann die Sensorstation über der konstruktiv bedingten normalen Transportposition der Fördervorrichtung so ausgerichtet sein, dass sowohl zwei mit Elastomerencodern bestückten Randbereiche als auch ein Mittelbereich der Fördervorrichtung detektierbar sind.
  • Weiterhin kann die Sensorstation wahlweise traversierend beweglich als Einzelstation, und/oder fest installiert als Dreifach-Station mit je einer Einzelstation in den Randbereichen und einer Einzelstation in dem Mittelbereich, anordenbar sein.
  • Weiterhin kann die Sensorstation mindestens zwei Sensoren mit einem vorbestimmten Sensorabstand umfassen.
  • Weiterhin können die Sensoren Hallsensoren von ratiometrisch linearer Bauart sind.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet sein, dass die Sensorstation mit einer Prozesseinheit verbunden ist.
  • Weiterhin kann zumindest eine Verbindung zwischen der Sensorstation und der Prozesseinheit vorgesehen sein, wobei diese via Kabel und/oder kabellos ausgeführt ist.
  • Weiterhin können mit der Prozesseinheit Daten an ein anlagenspezifisches Betriebsdatenerfassungssystem weiterleitbar sind, wobei Informationen zu etwaigen Störsituationen lieferbar sind, aufgrund deren mit einer Anlagensteuerung eine Notabschaltung der Anlage ausführbar ist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur zerstörungsfreien Erfassung eines Betriebszustands von elastischen Bauteilen, insbesondere von Fördervorrichtungen und kann folgende Schritte aufweisen: Erfassen einer ersten Dehnung von Elastomerencodern, die in einem ersten Messbereich einer Fördervorrichtung eingebettet sind, Ermittlung einer ersten Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und einem ersten vorbestimmten Dehnungswert, und/oder Erfassen einer zweiten Dehnung von Elastomerencoder, die in einem zweiten Messbereich der Fördervorrichtung eingebettet sind, Ermittlung einer zweiten Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und der zweiten Dehnung, Bestimmung eines Betriebszustands des elastischen Bauteils basierend auf der ermittelten Dehnungsdifferenz, Ausgabe zumindest eines Betriebszustandssignals, wenn die ermittelte erste Dehnungsdifferenz einen ersten vorbestimmten Wert übersteigt und/oder wenn die ermittelte zweite Dehnungsdifferenz einen zweiten vorbestimmten Wert übersteigt.
  • In einem weiteren Schritt kann, wenn die ermittelte erste Dehnung einen ersten vorbestimmten Wert übersteigt oder die ermittelte Dehnungsdifferenz einen zweiten vorbestimmten Wert übersteigt, zumindest ein vorbestimmtes Betriebszustandssignal ausgeben werden.
  • Das Betriebzustandssignal kann einem aktuellen Dehnungszustand und/oder einem Dehnungszustand entsprechen, bei dem die Dehnung den ersten vorbestimmten Wert überschreitet und/oder die Dehnungsdifferenz den zweiten vorbestimmten Wert überschreitet.
  • Weiterhin können durch das Verfahren die Dehnung der Bauteile und die Fördergeschwindigkeit gleichzeitig erfasst werden.
  • Weiterhin kann ein Elastomerencoders zur Dehnungsmessung von elastischen Bauteilen verwendet werden, wobei die Dehnung eines elastischen Bauteils anhand einer Dehnung zumindest eines Elastomerencoders erfassbar ist.
  • Weiterhin kann die Dehnung des elastischen Bauteils gleichzeitig mit der Umlaufgeschwindigkeit des elastischen Bauteils erfassbar sein.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder durch Zugabe eines Füllstoffes herstellbar sein, wobei der Füllstoff Strontiumferrit (SrFeO) und/oder eine Eisen-Legierung (NdFeB) ist, wobei der Elastomerencoder durch Zugabe eines Füllstoffes von 20 bis 40 vol.% Strontiumferrit (SrFeO), bevorzugt jedoch 30 vol.% Strontiumferrit (SrFeO), und/oder von 5 bis 30 Vol% Eisen-Legierung (NdFeB) modifizierten Elastomermischung herstellbar ist und von unmagnetischem Material überdeckt wird.
  • Weiterhin können durch die Zugabe dieses Füllstoffes die mechanisch-physikalischen Eigenschaften des Vulkanisates des Elastomerencoders nur unwesentlich veränderbar sein.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder als Band oder Platte mit einer Dicke von 1 mm bis 5 mm sowie Abmessungen bevorzugt von 1000 mm Länge und 10 bis 100 mm Breite vorliegt und/oder aus derartigen Bänder oder Platten zusammensetzbar sein.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder sowohl vor Einbau als auch nach dessen Einbau mittels Impulsmagnetisiertechnik magnetisierbar sein.
  • Weiterhin können die Polbreiten oder Polabstände des Elastomerencoders bevorzugt von 100% bis 400% des effektiven Sensorabstandes betragen.
  • Weiterhin kann die Ausrichtung der Elastomerencoder maximal 5° von der Fördervorrichtung oder Fahrrichtung der Fördervorrichtung abweichen.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder mit den für Elastomere entwickelten Fügeverfahren in der Fördervorrichtung befestigbar sein.
  • Weiterhin kann eine Breite des Elastomerencoders an eine Messbreite der Sensorik so anpassbar sein, so dass bei extremem Bandschieflauf der Fördervorrichtung die Sensorik den Messbereich des Elastomerencoders nicht mehr erreicht und somit eine Fehlermeldung auslösbar ist.
  • Weiterhin kann der Elastomerencoder so codiert sein, dass seine Einbaustelle identifizierbar ist.
  • Weiterhin kann das zu überwachende Bauteil (Fördervorrichtung), beispielsweise ein Fördergurt aus verstärkten Kunststoffen, insbesondere Elastomere sein, das mit Elastomerencodern aus magnetisierten Elastomeren (Magnetelastomer) versehen ist, und/oder in einer Magnetencoderanordnung während seines funktionsbedingten Einsatzes an einem Sensorsystem (Sensorstation, Sensorik) vorbeigeführt wird, wobei permanent der Verformungszustand des Bauteils an besonders spannungs- und verformungsexponierten Stellen (z. B. Übergangszone, Übergangsnahe Zone, Seilendenabstandszone) gemessen und messtechnisch mit Hilfe eines Prozessrechners ausgewertet wird, welcher mit dem Betriebsdatenerfassungs- bzw. Steuersystem der Anlage verbunden ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnungen erläutert.
  • Es zeigen schematisch und nicht einschränkend:
  • 1: das Legeschema einer 3-stufigen Stahlseilfördergurtverbindung mit darin positionierten Magnetencodern und Vergleichsmessstellen,
  • 2: einen Querschnitt durch eine Übergangszone einer Seite einer Gurtverbindung mit Querarmierungen und Stahlseil sowie die Positionierung der Magnetencoder zur Laufseite der Fördervorrichtung und Tragseite der Fördervorrichtung,
  • 3: eine Anordnung des Messsensoriksystems an der Gurtförderanlage über dem mit Magnetencodern versehenen Fördergurt,
  • 4A: eine Anordnung der Sensoren in einer Sensorstation bezüglich des Elastomerencoders und die Kodierung des Encoders in Nordpol und Südpol.
  • 4B: Sensorsignale die von der Sensorstation an die Prozesseinheit gesendet werden,
  • 5: die Dehnungszunahme als Funktion der Lastzyklenzahl bei einer vorbestimmten Belastung (Belastungsdauer), und
  • 6: einen Gurtförderer.
  • Entsprechend der Erfindungsbeschreibung sowie Aufgabenstellung besteht das Funktionsprinzip (Methode) der Überwachungseinrichtung darin, in Zonen höchster Betriebsbeanspruchung die Bauteildeformation zu bestimmen um daraus dessen Ermüdungsverhalten (fatigue wear) festzustellen.
  • Erfindungsgemäß ist die kritische Deformation als solche Längenänderung zu bestimmen, die im Unterschied zur bauteilspezifischen immanenten Streckung unter der Betriebsbelastung einen bestimmten Betrag überschreitet. In der Literatur werden dazu Werte von 2% bis 4% je nach Gurtausführung genannt. Die in der Verbindung gemessenen Werte im Übergangsbereich Gurtseite zu Verbindungsseite 2, Bereich 4 und 1 Bereich 4 bzw. 4' können unter Umständen höhere Werte annehmen, sodass eine genaue Dehnungsmessung im Bereich zwischen 4% und 8% und darüber hinaus durchzuführen ist.
  • Unter Einsatz von Transpondern in Verbindung mit Dehnungsmesssystemen wäre es erforderlich, dehnungsübersetzende Systeme einzusetzen. Allerdings ist die Ermittlung diskreter maximaler Dehnungswerte nicht allein erfolgversprechend für die Ermittlung einer Schadensgrenze, sondern nur die Feststellung der funktionellen Abhängigkeit der Dehnungszunahme ΔD von der Belastungszeit gestattet mit hoher Sicherheit eine allgemeingültige Bewertung des Ermüdungsverhaltens.
  • Da die Anwendung der Dehnungsmesssensorik an gewisse Grenzen stößt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, über eine Zeitmessung mit einem Sensorsystem die Felder eines speziellen Magnetencoders zu erfassen. Dieser ist so ausgebildet, dass er die Bauteildehnung zu 100% reproduziert. Verwendet werden deshalb sogenannte Magnetelastomere, die aus einer magnetisierbaren Elastomermischung bestehen. Diese Elastomermischungen beinhalten eine gewisse Füllmenge an ferritische Teilchen (Füllstoff), die sich beim für die Elastomerherstellung typischen Misch- und Verarbeitungsprozess ideal ausrichten. Mit Hilfe einer speziellen Magnetisiervorrichtung gelingt es nun, diese so präparierte Mischung magnetisch in Form von präzise positionierten Nord/Süd-Polen mit definierten Polbreiten und -abständen zu codieren. Dieses Magnetelastomer kann in Form eines dehnbaren ca. 1–3 mm dicken Magnetencoders als Elastomerencoder 8 bzw. 8' aufgefasst werden.
  • Die möglichen Varianten der Einbringung der Encoder sind in 1 dargestellt. Das elastische Bauteil ist in Form eines Fördergurtes 9 dargestellt. Zu erkennen sind die beiden Endstücke einer Verbindung 1 und 2 sowie die für die Verbindung geöffnete, d. h. von Altgummi befreite Verbindungslänge 3. Die Positionierung der Elastomerencoder 8 bzw. 8' erflogt nach einem vorbestimmten Schema sowohl zur Referenzmessung in mindestens einem zweiten Messbereich (Referenzbereichen) auf den beiden zu verbindenden Gurtenden (in der Gurtseite 1 vgl. 2) als auch zur Dehnungsmessung in mindestens einem Messbereich (Bereich kritischer Dehnung) in der Verbindung selbst (Verbindungsseite 3 vgl. 2). Dabei werden die Elastomerencoder 8' zwischen den Verbindungen bevorzugt in den lateralen Randbereichen sowie in der Mitte des Fördergurtes 9 eingebettet. Zur Referenzmessungen sind darüber hinaus in dem ersten Messbereich (den Zonen kritischer Belastungen), sogenannte Übergangszonen, 4, 4', 5, 6 und 7 wahlweise Elastomerencoder 8 unterzubringen.
  • Die Einbringung ist sinnvollerweise bei der Verbindungsherstellung, der Reparatur, der Regenerierung in der Werkstatt als auch vor Ort mit den bekannten Verfahren der Verbindungs- bzw. Fügetechnik für Elastomere möglich. Die Breite der Elastomerencoder 8, 8' ist dabei so zu wählen, dass bei üblichen Laufungenauigkeiten des Fördergurtes 9 eine Messung noch realisierbar ist.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Kontaktzone der Gurtseite 1 und der Verbindungsseite 3 eines querarmierten Stahlseilfördergurtes 9 mit der möglichen Höhenanordnung der Elastomerencoder 8 im Verhältnis zur Gurtlaufseite 14 und Gurttragseite 13.
  • Der Abstand zwischen Laufseite 14 sowie den möglichen Querarmierungen 17 und dem Stahlseil 18 des Fördergurtes 9 richtet sich sowohl nach magnetsensorischen (bis 24 mm) als auch verschleißtechnischen Kriterien. Es ist sofort zu erkennen, dass wenn die Elastomerschicht der Laufseite 14 soweit durch Verschleiß reduziert sein sollte, dass die Encoder 8 dem Abrieb preisgegeben sind, diese keine Signale zur Sensorstation 15 weiter aussenden können und somit eine zusätzliche Verschleißüberwachung der Laufseite 14 gegeben ist. Diese Anordnung ist auch auf der Tragseite 13 selbstverständlich denkbar. Eine Beeinträchtigung der Elastomerencoder 8 bzw. der Sensorstation 15 durch die Querarmierungen 17 und Stahlseile 18 ist auszuschließen.
  • 3 zeigt eine der möglichen Anordnungen des Sensoriksystems 15 auf einer Gurtförderanlage in der Nähe einer Antriebs oder Umlenktrommel 10. Der mit Elastomerencodern 8 dotierte Fördergurt 9 wird durch bzw. über verschiedene Reinigungssysteme 19 geführt und mittels einer üblicherweise so angeordneten Knicktrommel 11 mit einer Stütz- bzw. Anpresstrommel 12 fixiert.
  • Die Positionierung des Sensors 15 ist mit der Elastomerencoderbreite 8 bzw. 8' abzustimmen. Abweichungen bei Bandschieflauf ergeben Fehlsignale. Mit Hilfe dieser fehlenden Signalgebung lässt sich der Bandschieflauf idealerweise zusätzlich überwachen. Der Abstand der Sensorik 15 zur Gurtlaufseite 14 ist so zu wählen, dass ein direkter Kontakt bzw. ein messtechnisch noch realisierbarer Abstand ermöglicht wird.
  • Der Pfeil R zeigt die Drehrichtung des Fördergurtes 9 an. Selbstverständlich ist die Funktionstüchtigkeit der Erfassungsvorrichtung auch bei entgegen gesetzter Bewegungsrichtung gegeben.
  • Die Sensorstation 15 ist mit einem Prozessrechner 16 zwecks Messwerterfassung und Messwertauswertung verbunden.
  • 4A verdeutlicht das Messprinzip des aktiven Magnetencoders in Form des beschriebenen dehnfähigen Elastomerencoders 8 bzw. 8'. Unter Anordnung zweier Magnetsensoren S1 und S2 lassen sich mit hoher Präzision in einem Messgang sowohl die Magnetencoder-Geschwindigkeiten (+/–1% bei einer Standardabweichung von 0,3%) als auch die Dehnungen (+/–1%) errechnen und mit den Messungen an einer neben der Verbindung oder zwischen den Verbindungen angeordneten Referenzmessstelle 8' vergleichen. Ein codierter Elastomerencoder 8, wird an zwei Sensoren S1 und S2 vorbeigeführt, die dabei magnetische Nord Süd Impulse des Elastomerencoders detektieren.
  • In der 4B sind schematisch die von der Sensorstation ausgehenden Messsignale gezeigt. Die vier Kombinationen demonstrieren das verwendete Messprinzip in den Stufen:
    • I) schnell, ungedehnt
    • II) langsam, ungedehnt
    • III) langsam, gedehnt und
    • IV) schnell, gedehnt
  • Referenzmessungen zwischen den Encodern 8 und 8' sind ebenso nach diesem System möglich. Dabei entspricht A der Signaldauer eines Referenzsignals eines Encoders 8', mit dem die Umlaufgeschwindigkeit des Fördergurtes an einer bezüglich der Dehnung unkritischen Stelle erfassbar ist. B entspricht der Dauer eines Signals von einem Encoder 8 der sich an einer dehnungskritischen Stelle in einer Verbindungsstelle des Fördergurtes befindet. Anhand der Signale A und B kann ein Abgleich der Umlaufgeschwindigkeiten erfolgen und somit das Vorliegen einer Dehnung erfasst werden.
  • Zwecks Integration in ein EDV-gestütztes Betriebsdatenerfassungssystem ist es vorgesehen, den Prozessrechner über ein Bussystem mit dem Instandhaltungsportal zu verbinden und im Rahmen der Gesamtanlagenüberwachung Daten zur Auswertung für die Steuerzentrale zwecks eventuell notwendig werdenden, in Notfallsituationen unerlässlichen Anlagenstillsetzungen zu liefern. In Verbindung mit anderen Messgrößen kann dieser Betriebsfall redundant so gesteuert werden, dass Fehlschaltungen durch eventuelle Messstörungen ausgeschlossen werden können.
  • Über eine gesonderte Codierung der Elastomerencoder 8 wird erreicht, dass eine genaue Positionierung des Schadens detektierbar ist. Bei Bedarf an weiteren zusätzlichen Identifikations- und Informationsmeldungen ist es durchaus möglich, den Einsatz von Transpondern vorzusehen.
  • Selbstverständlich lassen sich Elastomerencoder 8 auch in die Zwischenlagen von Textilfördergurten bei ein- oder mehrstufigen Verbindungen einbringen oder an den Übergangszonen 4, 4' zwischen den beiden Lagenenden applizieren. Dies trifft auch für jede mögliche andere Art von Transportbändern und Fördergurten 9, Antriebsriemen oder dergleichen zu.
  • Wie bereits in der Beschreibung sowie der Aufgabenstellung ausgeführt, kann es sinnvoll sein, die Bestimmung einer Schadensgrenze anhand von Referenzdehnungsdaten wie beispielsweise einer gemessenen Beziehung Dehnungszunahme = f (Lastzyklenzahl, Belastungsdauer) vorzunehmen, wobei die Dehnungen an den Encodern 8 gemessen und mit der Dehnung in verbindungsfernen Encoder 8' verglichen wird.
  • In 5 ist ein solcher Zusammenhang bei Prüfung eines Elastomerbauteils beispielhaft dargestellt. Die Diagramme in der linken Hälfte zeigen die Bauteilermüdung anhand der Dehnung in Abhängigkeit der Lastzyklen und die Diagramme in der rechten Hälfte zeigen eine Belastung mit einer definierten Kraft über eine Zyklendauer. Es ist deutlich zu erkennen, dass bei einer definierten Belastung (im Beispiel 1,0 kN) einer Materialprobe nach bestimmten Belastungszeitabschnitten A, B, C, und D (Sektoren I, II, III und IV) sich eine typische Steigung der Funktion in den einzelnen charakteristischen Abschnitten abzeichnet. Die Steigungszunahme der Funktion deutet auf eine stetig zunehmende Bauteilermüdung hin, die schließlich im Punkt D zum Bruch der Probe führt. Die vier Bereiche sind demnach für die Schadensbeurteilung heranzuziehende Kriterien.
  • Während in Zone I eine absolute unkritische Dehnungszunahme (Fließen) zu verzeichnen ist, beginnt ab Punkt A in Zone II bereits eine unkritische partielle Bauteilschädigung, die sich ab Punkt B in Zone III merklich verschärft und bereits als kritisch zu bezeichnen ist. Mit Erreichen der Zone IV im Punkt C tritt ein bereits deutliches Versagen des Bauteils ein, welches im Punkt D zum Ausfall der Betriebstüchtigkeit führt.
  • Referenzkurven dieser Art lassen sich natürlich auch mit Proben aus Stahlseilgurtverbindungen erstellen, in dem mit Hilfe von dynamischen Prüfmaschinen (Hydropulser) entsprechende Graphen aufgezeichnet werden. Entscheidend ist, dass die Prüfung die Praxisbedingungen nahezu ideal widerspiegelt.
  • In einer höheren tribologischen Prüfkategorie (Arbeitsblatt Nr. 7 der Gesellschaft für Tribologie (GfT) „Tribologie”) durchgeführte Prüfstandsversuche nach DIN 22110, T3 unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung von Elastomerencodern ermöglichen ergänzend zu den Laborversuchen in einer Tribologischen Prüfkette die Erstellung von Referenzkurven, die die Bestimmung der Schadenssituation an einem Gurtförderer erheblich erleichtern.
  • 6 zeigt das Schema eines Gurtförderers 20 mit alternativen Möglichkeiten zur Positionierung der Sensorik 15 zu seinen Antrieben. Je nach Ausführung und Anordnung der Antriebssituationen werden gemäß DIN 22101 diese als Kopf- bzw. Heckantriebe (abhängig von der Schüttgutförderrichtung) bezeichnet, wobei Heckantriebe üblicherweise der Schüttgutaufgabestation am Beginn und Kopfantriebe der Schüttgutabwurfstation am Ende des Förderweges zuzuordnen sind.
  • Die oberhalb liegende Förderzone des Gurtförderers wird als Obertrum, die untere schüttgutfreie Zone als Untertrum bezeichnet. Zum Zwecke des sicheren Schüttguttransports ist die obere Zone meist gemuldet, d. h an den Rändern jeweils um einen gewissen Winkelbetrag nach oben abgeknickt. Die Positionierung der Sensorik 15 hat sich diesen Gegebenheiten so anzupassen, dass sowohl die Überladung mit Schüttgut weitestgehend vermieden als auch die Zonen höchster Gurtübertragungskräfte, je nach Antriebsart messtechnisch sicher erreicht werden.
  • Alle in der vorliegenden Beschreibung angegebenen Wertebereiche umfassen auch die Randwerte. Die im vorangehenden genannten Merkmale und beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können teilweise oder als Ganzes beliebig miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind. Sofern sich solche Ausführungsformen für einen Fachmann aus den vorgenannten Ausführungsbeispielen ergeben, sollen diese als mit den vorgenannten Ausführungsbeispielen implizit offenbart gelten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4020945 [0013]
    • - DE 19603578 [0014]
    • - DE 102004061367 [0016]
    • - DE 2004001899 [0017]
    • - WO 2005/023688 [0017]
    • - US 4854446 [0018]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - DIN 22110 [0119]
    • - DIN 22101 [0120]

Claims (31)

  1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Erfassung eines Betriebszustandes von elastischen Bauteilen (9), insbesondere Fördergurten, Förderbändern oder Riemen mit: – mindestens einem elastischen Bauteil (9), das eine bandförmige Gestalt hat und in einer Bandumlaufrichtung mindestens einen ersten Messbereich (3) und mindestens einen zweiten Messbereich (1) aufweist, wobei in den Messbereichen (1, 3) des elastischen Bauteils (9) Elastomerencoder (8, 8') eingebettet sind, – mindestens einer Sensorstation (15), mit der von den Elastomerencodern (8, 8') ausgehende magnetische Felder beim Passieren der Sensorstation (15) detektierbar und in Ausgangssignale unwandelbar sind, und – mindestens einer Prozesseinheit (16), die von der Sensoreinheit (15) ausgesendete Signale empfängt, zu Dehnungsdaten verarbeitet, und damit eine erste Dehnung der Elastomerencoder (8), die sich in einem ersten Messbereich befinden, bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesseinheit (16) eine erste Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und einem ersten vorbestimmten Dehnungswert ermittelt, oder eine zweite Dehnung der Elastomerencoder (8'), die sich in einem zweiten Messbereich des elastischen Bauteils befinden, bestimmt und eine zweite Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und der zweiten Dehnung ermittelt, und basierend auf der ermittelten Dehnungsdifferenz einen Betriebszustand des elastischen Bauteils bestimmt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Messbereich (3) ein Bereich ist, in dem zwei Enden des elastischen Bauteils (9) miteinander verbunden sind, wobei wenn die ermittelte erste Dehnungsdifferenz einen ersten vorbestimmten Wert übersteigt oder die ermittelte zweite Dehnungsdifferenz einen zweiten vorbestimmten Wert übersteigt, von der Prozesseinheit (16) zumindest ein vorbestimmtes Betriebszustandssignal ausgegeben wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Betriebzustandssignal einem aktuellen Dehnungszustand oder einem Dehnungszustand entspricht, bei dem die erste Dehnungsdifferenz den ersten vorbestimmten Wert überschreitet oder die zweite Dehnungsdifferenz den zweiten vorbestimmten Wert überschreitet.
  4. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mit der Sensorstation (15) detektierbaren magnetischen Felder wechselnde Polarität aufweisen, die Dehnung des elastischen Bauteils (9) gleichzeitig mit der Umlaufgeschwindigkeit des elastischen Bauteils (9) bestimmbar ist, und ein zweiter, parallel eingebetteter, als Barcode magnetisierten Elastomerencoder sowie mindestens ein zusätzlicher Sensor in der Sensorstation vorgesehen ist, wobei mit dem zusätzlichen Elastomerencoder eine Bandsektion eindeutig identifizierbar ist.
  5. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dehnung lokalisiert, vorzugsweise mit einer Ortsauflösung von einer Polbreite, von maximal 50 mm, bestimmbar ist, besonders bevorzugt mit einer Ortsauflösung von zwei Polbreiten, von maximal 100 mm, bestimmbar ist.
  6. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Elastomerencoder (8) durch Zugabe eines Füllstoffes herstellbar ist, wobei der Füllstoff Strontiumferrit (SrFeO) und/oder eine Eisen-Legierung (NdFeB) ist, wobei der Elastomerencoder (8) durch Zugabe eines Füllstoffes von 20 bis 40 vol.% Strontiumferrit (SrFeO), bevorzugt jedoch 30 vol.% Strontiumferrit (SrFeO), und/oder von 5 bis 30 Vol% Eisen-Legierung (NdFeB) modifizierten Elastomermischung herstellbar ist und von unmagnetischem Material überdeckt wird.
  7. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Elastomerencoder (8) als Band oder Platte mit einer Dicke von 1 mm bis 5 mm sowie Abmessungen bevorzugt von 1000 mm Länge und 100 mm Breite vorliegt und/oder aus derartigen Bänder und/oder Platten zusammensetztbar ist.
  8. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Polbreiten oder Polabständen des Elastomerencoders (8) von 20 mm bis 50 mm, bevorzugt jedoch 40 mm betragen.
  9. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Ausrichtung der Elastomerencoder (8) maximal 5° von der Förderrichtung oder Fahrrichtung des elastischen Bauteils (9) abweicht.
  10. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Breite des Elastomerrencoders (8) an eine Messbreite der Sensorstation (15) so anpassbar ist, dass bei extremem Bandschieflauf des Elastischen Bauteils (9) die Sensorstation (15) den Messbereich des Elastomerencoders (8) nicht mehr erreicht und somit eine Fehlermeldung auslösbar ist.
  11. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Elastomerencoder (8) so codiert ist, dass seine Einbaustelle eindeutig identifizierbar ist.
  12. Vorrichtung zum Fördern von Gütern bestehend aus einem elastischen Bauteil (9), das eine bandförmige Gestalt hat und in einer Bandumlaufrichtung mindestens einen ersten Messbereich (3) und mindestens einen zweiten Messbereich (1) aufweist, und in den Messbereichen (1, 3) des elastischen Bauteils Elastomerencoder (8, 8') eingebettet sind, wobei – mit mindestens einer Sensorstation (15), von den Elastomerencoder (8. 8') ausgehende magnetische Felder beim Passieren der Sensorstation (15) detektierbar und in Ausgangssignale unwandelbar sind, wobei – mindestens eine Prozesseinheit (16), die von der Sensoreinheit (15) ausgesendeten Signale empfängt, zu Dehnungsdaten verarbeitet, und damit eine erste Dehnung der Elastomerencoder (8) die sich in einem ersten Messbereich befinden, bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesseinheit (16) eine erste Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und einem ersten vorbestimmten Dehnungswert ermittelt, oder eine zweite Dehnung der Elastomerencoder (8'), die sich in einem zweiten Messbereich des elastischen Bauteils (9) befinden, bestimmt und eine zweite Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und der zweiten Dehnung ermittelt, und basierend auf der ermittelten Dehnungsdifferenz einen Betriebszustand des elastischen Bauteils bestimmt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12 mit zumindest einer Laufseite (14), und zumindest einer Tragseite (13), wobei zwischen der Laufseite (14) und der Tragseite (13) dehnfähige Elastomerencoder (8, 8') eingebettet sind, die geeignet sind wechselnde magnetische Signale auszugeben, und der erste Messbereich (3) ein Bereich ist, in dem zwei Enden des elastischen Bauteils (9) miteinander verbunden sind.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerencoder (8, 8') in einem bestimmten Legeschema eingebettet sind, welches mit der Anordnung von Sensoren (S1, S2) einer Sensorstation (15) korrespondiert.
  15. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich über das elastische Bauteil (9) verteilt, mindestens drei Elastomerencoder (8, 8') in Übergangszonen (4, 4') befinden, welche sich bis in Auslenkzonen von Seilen (5) oder eine Versetzungszone von Seilenden (6) erstrecken können, und/oder sich in Seilendabstandszonen (7) befinden.
  16. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verbindungen der Vorrichtung mindestens drei Referenz-Elastomerencoder (8') jeweils in der Mitte sowie in den rechten und linken Randbereichen angeordnet sind.
  17. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerencoder (8) in einer Übergangszone (4) mit einer Hälfte seiner Baulänge in einer Gurtseite und mit der anderen Hälfte in einer Verbindungsseite verankert ist.
  18. Sensorstation (15), mit der von Elastomerencodern (8. 8') ausgehende magnetische Felder bei deren Passieren der Sensorstation (15) detektierbar und in Ausgangssignale unwandelbar sind, wobei die Elastomerencoder (8, 8') in Messbereichen (1, 3) eines elastischen Bauteils (9), das eine bandförmige Gestalt hat eingebettet sind, wobei das elastische Bauteil (9) in einer Bandumlaufrichtung mindestens einen ersten Messbereich (3) und mindestens einen zweiten Messbereich (1) aufweist, wobei eine Prozesseinheit (16), die von der Sensoreinheit (15) ausgesendeten Signale empfängt, zu Dehnungsdaten verarbeitet, und damit eine erste Dehnung der Elastomerencoder (8) die sich in einem ersten Messbereich (3) befinden, bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesseinheit (16) eine erste Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und einem ersten vorbestimmten Dehnungswert ermittelt, oder eine zweite Dehnung der Elastomerencoder (8'), die sich in einem zweiten Messbereich des elastischen Bauteils befinden eine zweite Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und der zweiten Dehnung ermittelt, und basierend auf der ermittelten Dehnungsdifferenz einen Betriebszustand des elastischen Bauteils bestimmt.
  19. Sensorstation (15) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstation (15) an einer Gurtförderanlage (20) positionierbar ist, wobei sie je nach Kopf- oder Heckantriebsituation, sowohl auf der Laufseite eines Obertrums als auch der Lauf- und Tragseile eines Untertrums, der Gurtförderanlage (20), positionierbar ist, oder wobei die Sensorstation (15) je nach Anlagensituation in der Nähe einer Gurtfördertrommel (10), einem Rollensystem (11) und/oder einer Andrückrolle in Form einer Stütz- oder Anpresstrommel (12) positionierbar ist, wobei ihr Abstand zur Laufseite (14) des Fördergurtes (9) minimal ist und/oder die Sensorstation (15) direkt auf diesem aufliegt.
  20. Sensorstation (15) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstation (15) wahlweise traversierend beweglich als Einzelstation, und/oder fest installiert als Dreifach-Station mit je einer Einzelstation in den Randbereichen und einer Einzelstation in dem Mittelbereich, anordenbar ist.
  21. Sensorstation (15) nach zumindest einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstation (15) mindestens zwei Sensoren (S1, S2) mit einem vorbestimmten Sensorabstand umfasst.
  22. Sensorstation (15) nach zumindest einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (S1, S2) Hallsensoren von ratiometrisch linearer Bauart sind.
  23. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11 und 18 bis 21, wobei mit der Prozesseinheit (16) die Daten an ein anlagenspezifisches Betriebsdatenerfassungssystem weiterleitbar sind, wobei Informationen zu etwaigen Störsituationen lieferbar sind, aufgrund deren mit einer Anlagensteuerung eine Notabschaltung der Anlage ausführbar ist.
  24. Verfahren zur zerstörungsfreien Erfassung eines Betriebszustands von elastischen Bauteilen (9), insbesondere von Vorrichtungen nach Anspruch 12, mit den Schritten – Erfassen einer ersten Dehnung von Elastomerencodern (8), die in einem ersten Messbereich (3) eines Elastischen Bauteils (9) eingebettet sind, – Ermittlung einer ersten Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und einem ersten vorbestimmten Dehnungswert, – oder Erfassen einer zweiten Dehnung von Elastomerencodern (8'), die in einem zweiten Messbereich (1) des elastischen Bauteils (9) eingebettet sind, und Ermittlung einer zweiten Dehnungsdifferenz zwischen der ersten Dehnung und der zweiten Dehnung, und – Bestimmung eines Betriebszustands des elastischen Bauteils (9) basierend auf der ermittelten Dehnungsdifferenz, – Ausgabe zumindest eines Betriebszustandssignals, wenn die ermittelte erste Dehnungsdifferenz einen ersten vorbestimmten Wert übersteigt oder wenn die ermittelte zweite Dehnungsdifferenz einen zweiten vorbestimmten Wert übersteigt.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Dehnung des elastischen Bauteils (9) und die Umlaufgeschwindigkeit des elastischen Bauteils (9) gleichzeitig erfasst werden.
  26. Verwendung eines Elastomerencoders (8) zur Dehnungsmessung von elastischen Bauteilen (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnung eines elastischen Bauteils (9) anhand einer Dehnung zumindest eines Elastomerencoders (8, 8') erfassbar ist.
  27. Verwendung nach Anspruch 26, wobei die Dehnung des elastischen Bauteils (9) gleichzeitig mit der Umlaufgeschwindigkeit des elastischen Bauteils (9) erfassbar ist.
  28. Verwendung nach Anspruch 26 oder 27, wobei der Elastomerencoder (8) durch Zugabe eines Füllstoffes herstellbar ist, wobei der Füllstoff Strontiumferrit (SrFeO) und/oder eine Eisen-Legierung (NdFeB) ist, wobei der Elastomerencoder (8) durch Zugabe eines Füllstoffes von 20 bis 40 vol.% Strontiumferrit (SrFeO), bevorzugt jedoch 30 vol.% Strontiumferrit (SrFeO), und/oder von 5 bis 30 Vol% Eisen-Legierung (NdFeB) modifizierten Elastomermischung herstellbar ist und von unmagnetischem Material überdeckt wird.
  29. Verwendung nach zumindest einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei der Elastomerencoder (8) als Band oder Platte mit einer Dicke von 1 mm bis 5 mm sowie Abmessungen bevorzugt von 1000 mm Länge und 10 bis 100 mm Breite vorliegt und/oder aus derartigen Bänder oder Platten zusammensetzbar ist.
  30. Verwendung nach zumindest einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei die Polbreiten oder Polabstände des Elastomerencoders (8) bevorzugt von 100% bis 400% des effektiven Sensorabstandes betragen.
  31. Verwendung nach zumindest einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Elastomerencoder (8) maximal 5° von der Förderrichtung oder Umlaufrichtung des elastischen Bauteils (9) abweicht.
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