DE102009053297A1

DE102009053297A1 - Verfahren zur Bestimmung der vibrationstechnischen Eigenschaften von Unterlagsplatten in einer Umlaufanlage zur Herstellung von Betonwaren mittels Vibrationsverdichtung und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung dynamischer Eigenschaften einer Unterlagsplatte

Info

Publication number: DE102009053297A1
Application number: DE200910053297
Authority: DE
Inventors: Jörg-Henry Dr.-Ing. Schwabe; Jürgen Dipl.-Ing. Martin; Peter Dipl.-Ing. Webel
Original assignee: Wasa Pallets & Co KG GmbH; Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
Current assignee: IAB Institut fuer Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Die Erfindung bestrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der dynamischen Eigenschaften von Unterlagsplatten für Steinfertigermaschinen.
Das Verfahren umfasst folgende Teilschritte:
• die Einwirkung einer dynamischen Kraft auf die Fertigungsfläche der Unterlagsplatte, wobei die Krafteinwirkung durch eine stoßförmige oder periodische Einwirkung erfolgt,
• die messtechnische Bestimmung und Speicherung des zeitlichen Verlaufes von Kraft- und Bewegungsgröße mittels entsprechender Sensoren als elektrische Größen und
• die Berechnung einer prüfkörperbezogenen Steifigkeits- und Dämpfungsgröße aus den Zeitverläufen der zuvor bestimmten Messgrößen.
Die berechneten Steifigkeits- und Dämpfungsgrößen sind ein Maß für die dynamische Eigenschaft der Unterlagsplatte und korrelieren mit den zu erwartenden Produkteigenschaften der mit dieser Unterlagsplatte herzustellenden Betonwaren.
Daneben ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der dynamischen Kennwerte von Unterlagsplatten durch die Einwirkung einer dynamischen Kraft auf eine Fertigungsfläche der Unterlagsplatte beschrieben.

Description

Die Herstellung von Betonwaren erfolgt in Betonsteinfertigern. Die Formgebung und Verdichtung der Produkte erfolgt dabei in Stahlformen, aufgrund ihrer Gestalt auch als Formkasten bezeichnet, deren offene Unterseite durch Unterlagsplatten geschlossen werden.
In vielen Fällen werden die Produkte unmittelbar auf der Unterlagsplatte gefertigt. Damit ist die Unterlagsplatte die für die Verdichtungswirkung wesentliche untere Einleitungsstelle der Vibration.
Es sind jedoch auch technische Lösungen im Einsatz, in denen temporär zur Verbesserung der untenliegenden Produktoberfläche während der Befüllung und Vibrationseinwirkung ein bewegliches Ziehblech zwischen Unterlagsplatte und Formkasten geschoben wird, so dass in diesen Fällen die von unten wirkenden Vibrationen durch die Unterlagsplatte und zusätzlich durch das Ziehblech in das zu verdichtende Betongemenge geleitet werden.
Die Unterlagsplatte wird zu Beginn des Formgebungs- und Verdichtungsprozesses auf den Schwingtisch des Vibrationsverbandes geschoben. Ein Formkasten mit darin enthaltenen Einzelkammern wird auf die Platte abgesenkt und verspannt. Alternativ wird vorher ein Ziehblech zwischen Unterlagsplatte und Formkasten geschoben.
Durch Überfahren der Form entleert sich ein Kasten (Füllwagen) mit Betongemenge in die Formkammern. Das zu formende Produkt wird von oben mit einer Auflast verschlossen. Mittels der vom Schwingtisch ausgehenden Vibrationen wird das Betongemenge verdichtet.
Die Unterlagsplatte bildet unmittelbar oder – im Fall der temporären Verwendung eines Ziehbleches – mittelbar die Produktunterseite aus. Bei diesem Verdichtungsvorgang – dem Einleiten von Schwingungen in den Beton – wird die Unterlagsplatte durch die Tischbewegung in Schwingungen versetzt.
Durch die Anordnung gestellfester Anschläge im Schwingweg des Tisches, den so genannten Klopfleisten, werden die Schwingungen von Stößen überlagert. Diese verdichtungseffektive Form der Bewegung wird auch Schockvibration genannt.
Die Platteneigenschaften wirken sich unmittelbar auf die Weiterleitung von Stößen des Tisches zu dem in den Formkammern befindlichen Beton aus. Die Größe und Form des Stoßimpulses wird u. a. durch die elastischen und dämpfenden Eigenschaften der Platte bestimmt. Die Unterlagsplatte zeichnet somit direkt mitverantwortlich für das Gelingen der Verdichtung des Betongemenges.
Der Einfluss des Ziehbleches in den betreffenden Maschinen ist aus der Sicht der Schwingungsdurchleitung und der Verdichtungswirkung als sehr gering zu bewerten, so dass auch in derartigen Fertigungsmaschinen die schwingungstechnischen Eigenschaften der Unterlagsplatte maßgeblich für die Verdichtungswirkung sind.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung von für die Verdichtung im Herstellungsprozess qualitätsbestimmenden vibrationstechnischen Eigenschaften von Unterlagsplatten in einer Umlaufanlage zur Herstellung von Betonwaren mittels Vibrationsverdichtung, insbesondere mittels Schockvibration während ihrer Nutzung, wobei die Unterlagsplatten aus unterschiedlichen Werkstoffen und Werkstoffkombinationen bestehen können.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft weiterhin eine Ausgestaltung zur Bestimmung und statistischen Auswertung der zeitlichen Entwicklung der qualitätsbestimmenden vibrationstechnischen Eigenschaften von Unterlagsplatten über ihre Lebensdauer mit der Möglichkeit

– der Aussonderung einzelner Unterlagsplatten aus dem umlaufenden Plattenbestand einer Fertigungsanlage, deren qualitätsbestimmende vibrationstechnische Eigenschaften solche Grenzwerte erreichen oder überschreiten, die eine ausreichende Formgebung und Verdichtung nicht mehr ermöglichen wobei sich damit der Mittelwert der qualitätsbestimmenden vibrationstechnischen Eigenschaften der verbleibenden Unterlagsplatten verbessert oder
– der aus wirtschaftlicher Sicht notwendigen Entscheidungsfindung zum rechtzeitigen, jedoch nicht zu frühzeitigen Austausch eines kompletten Plattenbestandes einer Fertigungslinie, wenn der Mittelwert der qualitätsbestimmenden vibrationstechnischen Eigenschaften der Unterlagsplatten einen Grenzwert der ausreichenden Formgebung und Verdichtung erreicht oder wenn die Streuung der qualitätsbestimmenden vibrationstechnischen Eigenschaften eines Plattenbestandes so groß wird, dass die qualitätsbestimmenden vibrationstechnischen Eigenschaften einer wesentlichen Menge der Unterlagsplatten eines Plattenbestandes den Grenzwert für die ausreichende Formgebung und Verdichtung erreicht oder überschreitet, so dass die restliche Menge des Plattenbestandes keinen kontinuierlichen Umlaufprozess mehr sichern kann.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung in mehreren Ausgestaltungen, die das Verfahren technisch umsetzen.
Stand der Technik
Unterlagsplatten haben im Produktionsablauf mehrere Funktionen zu übernehmen. Beim Formgebungs- und Verdichtungsprozess liegen die Betonprodukte unmittelbar oder – im Fall der temporären Verwendung eines Ziehbleches – mittelbar auf den Unterlagsplatten auf. Somit übernehmen die Unterlagsplatten die Funktion der Schwingungseinleitung und der Formgebung an der Übergangsstelle der Fertigungsmaschine zum Betongemenge.
Weiterhin werden die Betonprodukte auf den Unterlagsplatten in der Umlaufanlage transportiert und während des Aushärteprozesses in Hochregalen gelagert. Unterlagsplatten müssen dauerhaft sein und über solche schwingungstechnischen Eigenschaften verfügen, die eine für die Formgebung und Verdichtung ausreichende Vibrationseinwirkung über einen möglichst langen Nutzungszeitraum ermöglichen.
Für eine reproduzierbar sichere Beherrschung des Fertigungsverfahrens ist es notwendig, die für die Verdichtungswirkung wesentlichen schwingungstechnischen Eigenschaften einer Unterlagsplatte durch eine oder mehrere Kenngrößen zu beschreiben und als numerische Werte zu kennen. Weiterhin ist es dafür erforderlich, dass derartige Kenngrößen mit technisch und finanziell vertretbarem Aufwand messbar sind, vorteilhafterweise prozessnah und in sinnvollen Zeitspannen über den gesamten Nutzungszeitraum der Unterlagsplatte.
Eigenschaften von Unterlagsplatten bzw. von deren Ausgangsstoffen im Fall von Holz sowie Verfahren zu deren Bestimmung sind in den Dokumenten [1], [2] und [3] beschrieben. Dabei handelt es sich um qualitative Bewertungen von Güteeigenschaften oder um Werkstoff- oder konstruktive Eigenschaften, die keinen Bezug zum dynamischen Verhalten haben.
In den recherchierten Quellen werden folgende Kenngrößen zur Beschreibung der Platteneigenschaften angegeben:

– Biegesteifigkeit (Beanspruchung auf Biegung)
– Verwindungssteifigkeit (Beanspruchung auf Biegung- und Torsion)
– Schlagfestigkeit
– Oberflächenhärte
– Abrieb
– Wasserdichtheit
– Gewicht im Zusammenhang mit dem Plattenformat

Je nach Materialart der Unterlagsplatte sind bestimmte Kenngrößen besonders zutreffend. Die Angaben der Eigenschaften beziehen sich im Allgemeinen auf die Beschaffenheit von neuen Unterlagsplatten. Die Herstellerfirmen kontrollieren die Beschaffenheit im Zuge der Qualitätskontrolle der frisch hergestellten Unterlagsplatten. In [2] sind beispielsweise folgende Platteneigenschaften und deren Bestimmung aufgeführt.

– Materialart Holz: a) qualitativ in konstruktive Ausführung oder Oberflächenausbildung; b) quantitativ in Rohdichte, Feuchtigkeitsgehalt, Abmessungstoleranzen, Ebenheit, Winkligkeit
– Materialart Kunststoff: a) qualitativ in Konstruktive Ausführung oder Oberflächenausbildung; b) quantitativ in Gewicht, Abmessungstoleranzen, Ebenheit, Winkligkeit
– Materialart Stahl: a) qualitativ in Oberflächenausbildung und b) quantitativ in Stahlgüte, Abmessungstoleranzen, Ebenheit, Winkligkeit

Aus Herstellerwerken für Unterlagsplatten sind Prüfungen zur Bestimmung solcher Parameter wie Durchbiegung und Biegezugfestigkeit bekannt, die eine definierte Probenvorbereitung erfordern und die teilweise zerstörend sind. Dabei erfolgen diese Prüfungen mit neuen Plattenproben außerhalb von Fertigungseinrichtungen. Weiterhin erfolgen diese Prüfungen bei statischen bzw. quasistatischen Beanspruchungen. In keiner der recherchierten Quellen wird eine Kenngröße bekannt, die die schwingungstechnischen Eigenschaften der Unterlagsplatte unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen sowie die Verdichtungswirkung und damit den Zusammenhang zur Produktqualität beschreibt. Demzufolge ist auch kein geeignetes Verfahren für eine prozessnahe Bestimmung bekannt.
Weiterhin existiert eine Reihe von Standards, die die Bestimmung dynamischer Eigenschaften wie z. B. die Schlagzähigkeit, Kerbschlagwiderstandsfähigkeit zum Inhalt haben (siehe z. B. [4], [5], [6]). Dabei handelt es sich um standardisierte zerstörende Prüfverfahren, die eine umfangreiche Probenvorbereitung bedingen. Eine Anwendung für die prozessnahe Prüfung von Unterlagsplatten ist somit nicht gegeben.
Aus der Physik, der Werkstoffwissenschaft bzw. der Maschinendynamik sind Eigenschaften von Werkstoffen und Strukturen und Verfahren zu deren Bestimmung bekannt, die Rückschlüsse auf schwingungstechnische Eigenschaften der hier betrachteten Unterlagsplatten zulassen können. So ist der Elastizitätsmodul (E-Moduls), speziell der Zugmodul ein bekannter Materialparameter, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhalten beschreibt. Die Messung des E-Moduls erfordert eine speziell vorbereitete Probe des betreffenden Werkstoffes. Für die direkte und zerstörungsfreie Messung an Unterlagsplatten sind bisher keine Lösungen bekannt.
Eine weitere Methode zur Bestimmung des dynamischen Verhaltens ist die experimentelle Modalanalyse. Sie gestattet die Bewertung des schwingfähigen Systems mit Hilfe ihrer Eigenschwingungsgrößen (Eigenfrequenz, Eigenschwingungsform, modale Dämpfung). Das dynamische Verhalten im Betriebszustand bleibt damit jedoch unberücksichtigt, da die Eigenformen nicht die Schwingungsübertragungswege beinhalten sondern globale Biege- und Torsionsverformung. Weiterhin gehen in die Modalanalyse die Abmessungen „Länge” und „Breite” der Unterlagsplatte ein, die für die Schwingungsübertragung im Betriebsfall keine wesentliche Bedeutung haben.
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung eines Materialparameter ist die Härteprüfung nach Shore, bei der ein Prüfkörper, z. B. gehärtete Nadel oder ein Schaft mit Kugelspitze auf das zu prüfende Material aufschlägt. Die Eindringtiefe (für Kunststoffe) bzw. die Rückprallhöhe (bei Metallen) sind ein Maß für die Härte. Das Verfahren ist einfach durchführbar. Bekannte Messgeräte sind einfach im Aufbau und kostengünstig.
Für die Bestimmung von schwingungstechnischen Eigenschaften, die mit der Verdichtungswirkung korrelieren ist dieses Verfahren ungeeignet, da kein definierter Zusammenhang z. B. zum E-Modul existiert. Weiterhin werden durch dieses Messverfahren nur Eigenschaften im oberflächennahen Bereich erfasst, so dass bei Platten mit Schichtaufbau die Eigenschaften der gesamten Platte nicht bestimmbar sind.
Während der Nutzung der Unterlagsplatten erfolgt eine Prüfung nur über visuelle Beurteilungen der Plattenoberflächen hinsichtlich sichtbarer Fehler wie z. B.

– Spalte (z. B. bei Holz-Unterlagsplatten),
– Unebenheiten durch Verschleißmarken,
– Abplatzungen,
– zerrüttete Holzstrukturen im Oberflächenbereich.

Ein Austausch von Einzelplatten bzw. eines kompletten Satzes Unterlagsplatten basiert häufig auf Erfahrungswerten bzw. aufgrund nachlassender Produktqualität.
Eine numerische Bewertung des Zustandes der Unterlagsplatten unter dem qualitätsbestimmenden Kriterium der Verdichtungswirkung kann wegen des Fehlens von geeigneten Kennwerten und einem Verfahren zu seiner Bestimmung nicht erfolgen.
Die verwendeten Nichtpatentliteraturstellen zum Stand der Technik sind nachfolgend aufgeführt.
[1] S. Franz: Langzeit-Bewertung von Kunststoff-Unterlagsplatten. BFT Betonwerk + Fertigteil-Technik Nr. 4 1999 S. 114
[2] Fachvereinigung Betonprodukte für Straßen-, Landschafts- und Gartenbau e. V. (SLG): Merkblatt Unterlagsplatten für die Betonsteinindustrie. 01/2002
[3] Tegernseer Gebräuche, Gebräuche im inländischen Handel mit Rundholz, Schnittholz, Holzwerkstoffen und anderen Holzhalbwaren. www.Holz.de
[4] DIN EN ISO 179-1:2006-05; Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 1: Nicht instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
[5] DIN EN ISO 179-2:2000-06; Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
[6] DIN EN 10045:1991-04 – 1; Metallische Werkstoffe – Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy – Teil 1: Prüfverfahren
Die Prüfung von Unterlagsplatten auf ihre schwingungstechnischen Eigenschaften im Zusammenhang mit der qualitätsbestimmenden Verdichtungswirkung beschränkt sich im Stand der Technik auf die Bestimmung ausgewählter Kennwerte während ihrer Herstellung.
Dabei werden Prüfungen bzw. Messungen in Anlehnung an Standards bzw. allgemein bekannte physikalische Messmethoden stichprobenartig durchgeführt, die eine Probenvorbereitung bedingen bzw. die zerstörend sind. Es werden Kennwerte z. B. für die Biegesteifigkeit, die Verwindungssteifigkeit bestimmt, wobei

– ein Zusammenhang von Kenngröße und Vibrationsübertragung nicht genannt wird,
– keine Aussage zum Zeitverhalten während der Nutzung gemacht wird und
– die Messverfahren nicht in die Umlauffertigung integriert sind.

Die Prüfung von Unterlagsplatten im Produktionsprozess erfolgt vom Nutzer überwiegend subjektiv mittels Sichtprüfungen, wobei im Allgemeinen nur visuell bewertbare Eigenschaften wie

• Spalte (z. B. bei Holz-Unterlagsplatten)
• Unebenheiten durch Verschleißmarken
• Abplatzungen
• zerrüttete Holzstrukturen im Oberflächenbereich

Die Recherche zum Stand der Technik zeigt, dass keine Kenngrößen von Unterlagsplatten bekannt sind,

– die den Zusammenhang von schwingungstechnischen Eigenschaften und der Verdichtungswirkung beschreiben,
– die einfach zu messen sind und
– durch eine prozessnah einsetzbare Messeinrichtung über die Nutzungsdauer der Unterlagsplatte gemessen werden können.

Das Fehlen einer geeigneten Kenngröße zur objektiven Bewertung des Verschleisszustandes und damit verbunden der Verdichtungswirkung von Unterlagsplatten während ihrer Nutzung hat zur Folge, dass es kein geeignetes objektives Bewertungskriterium gibt, das als Entscheidungshilfe für den Zeitpunkt des Ersatzes einzelner oder aller Unterlagsplatten einer Fertigungsanlage dient.
Der Ersatz einzelner oder aller Unterlagsplatten vor Erreichen einer Verschleissgrenze sichert die Produktqualität, bindet jedoch bereits zu einem früheren Zeitpunkt das erforderliche Kapital für die Neubeschaffung, obwohl eine Nutzung der vorhandenen Unterlagsplatten über einen bestimmten Zeitraum noch möglich wäre.
Bei einem Ersatz einzelner oder aller Unterlagsplatten zu einem zu späten Zeitpunkt nach Überschreiten der Verschleissgrenze erhöht sich die Gefahr einer unzureichenden Verdichtung und damit der unzureichenden Produktqualität.
Aufgabe der Erfindung ist es,

– eine oder mehrere Kenngrößen zu ermitteln, die einen objektivierbaren Zusammenhang zwischen den schwingungstechnischen Eigenschaften der Unterlagsplatte und der Verdichtungswirkung über die gesamte Nutzungsdauer beschreiben,
– ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die einfache und prozessnahe bzw. prozessintegrierte Bestimmung dieser Kenngröße ermöglicht und
– eine Messvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig die Bestimmung der Kennwerte über den gesamten Nutzungszeitraum der Unterlagsplatte gestattet.

Für eine derartige Prüfung, mit der die Unterlagsplatten innerhalb einer kurzen Zeit zerstörungsfrei geprüft werden können, fehlt bisher ein im Betonsteinwerk taugliches Prüfverfahren und eine geeignete Prüfvorrichtung.
In Anlehnung an den tatsächlichen Fertigungsprozess der Steinfertigung mittels Schockvibration besteht der Lösungsansatz darin, eine dynamische Kraftfunktion auf einen bestimmten Bereich der Fertigungsfläche einer Unterlagsplatte auszuüben, die in ihren Werten und den Wechselwirkungen des Kraft-Zeitverlaufes und des daraus entstehenden Beschleunigungs-Zeitverlaufes bzw. Verformungs-Zeitverlaufes den tatsächlichen Einwirkungen während der Fertigung entspricht.
Dazu wird ein Körper mit der Masse m durch eine konstante Kraft F über einen Weg s so beschleunigt, dass er mit der Geschwindigkeit v gegen die Fertigungsfläche der Unterlagsplatte schlägt.
Zum Zeitpunkt des Aufpralls besitzt der Körper eine bestimmte kinetische Energie.
Mit dem Aufprall läuft ein teilelastischer Stoß ab, bei dem der Körper stark verzögert wird und nach dem Nulldurchgang der Geschwindigkeit wieder in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt wird. Wenn die Kraft aus der elastischen Verformung größer ist als die konstant am Körper wirkende Kraft, kommt es zum Abheben und erneuten Aufschlagen des Körpers auf die Fertigungsfläche der Unterlagsplatte, wobei ein Teil der anfangs vorhandenen kinetischen Energie durch das dämpfende Verhalten des realen Plattenwerkstoffes bereits in Wärme umgewandelt ist. In Abhängigkeit von den dämpfenden Eigenschaften des Plattenmaterials wiederholt sich der Stoßvorgang mehrmals, bis zum statischen Kräftegleichgewicht aus Kraft F und Gegenkraft aus der Unterlagsplatte.
Aus den zeitabhängigen Bewegungsgrößen (Beschleunigung bzw. Weg) und erforderlichenfalls den zeitabhängigen Kräften zwischen den Kontaktpartnern werden die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften berechnet, die mit der Verdichtungswirkung und damit mit den zu erwartenden Produkteigenschaften wie z. B. der Rohdichte korrelieren. Die Steifigkeitseigenschaft wird hier als Klopfsteifigkeit bezeichnet.
Für den Prozess der Vibrationseinwirkung bei der Steinfertigung sind die schwingungstechnischen Eigenschaften der Unterlagsplatte zwischen der Einwirkungsstelle der Stöße an der Unterseite der Unterlagsplatte und der Übergangsfläche zum Betongemenge an der Oberseite der Unterlagsplatte sowie ihr Zusammenhang mit der Verdichtungswirkung von entscheidender Bedeutung.
Damit bedingt das Messverfahren, dass die zu prüfende Unterlagsplatte mit der der Stoßstelle gegenüberliegenden Fläche temporär während der Stoßeinwirkung und Messung auf eine steife und unbewegliche Unterlage aufliegt.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wirkt eine dynamische Kraft symmetrisch auf beiden Seiten der Unterlagsplatte und verformt diese im Bereich der Berührungsstellen. Mittels entsprechender Sensoren werden die Kraft-Zeit-Funktion und die Verformungs-Zeit-Funktion erfasst und als Hysteresekurve zusammengefasst. Den steifigkeitsbeschreibenden Kennwert erhält man aus der Steigung der Hysteresekurve. Die Fläche innerhalb der Hysteresekurve ist ein Maß für den Kennwert Dämpfung.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Figuren zeigt
1 schematische Darstellung der Messeinrichtung
2 Zeitverlauf der Beschleunigung (Messbeispiel)
3 Kennwertentwicklung, Mittelwerte und Standardabweichungen (Beispiel)
4 Messeinrichtung mit Zusatzkraft
5 Messeinrichtung mit horizontaler Messrichtung
6 Messverfahrens „Zange”
7 Messkurven des Messverfahrens „Zange”
1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip der Erfindung in einer Umsetzung für eine vertikale Krafteinwirkung auf die zu prüfende Unterlagsplatte.
Aus der Höhe h wird der Stoßkörper (1) mit der Masse m losgelassen und bewegt sich unter Einwirkung der Gewichtskraft G (= m·g; g, Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s²) beschleunigt in vertikale Richtung.
Um wie im Lösungsansatz beschrieben mit den Fertigungsbedingungen der Schockvibration vergleichbare lokale Einwirkungen und Verformungen an der Aufschlagstelle zu erzeugen, beträgt die Masse m = 5 kg, die Höhe h = 20 mm und die auf die Aufschlagstelle (2) aufschlagende Fläche des Stoßkörpers A = 452 mm². Variationen der Masse m, der Fallhöhe h und der Fläche des Stoßkörpers A unter möglicher Einbeziehung einer zusätzlichen Kraft, z. B. aus einer gespannten Feder sind in solchen Bereichen möglich, dass der Stoßkörper (1) zum ersten Stoßzeitpunkt eine solche Bewegungsenergie besitzt, die vergleichbare Verformungen und Verformungsgeschwindigkeiten der Fertigungsfläche der Unterlagsplatte erzeugen.
Der Stoßkörper (1) trifft auf einen Bereich (Aufschlagstelle (2)) der Unterlagsplatte (4) und wird bis zum Stillstand verzögert, wobei sich die Unterlagsplatte (4) an der Aufschlagstelle (2) im elastischen Bereich verformt. Der elastisch verformte Werkstoff der Unterlagsplatte (4) wirkt seinerseits wie eine gespannte Feder und bewegt den Stoßkörper (1) beschleunigt in entgegengesetzte Richtung und bei ausreichender Größe bis zum Abheben. Die wirkende konstante Gewichtskraft G beschleunigt den Stoßkörper erneut und lässt ihn wieder gegen die Unterlagsplatte schlagen, wobei ein Teil seiner anfangs vorhandenen Gesamtenergie (Summe aus potentieller und kinetischer Energie) durch Dämpfung bereits in Wärme umgewandelt ist. Diese Stöße wiederholen sich bis zu einem statischen Kräftegleichgewicht zwischen der Gewichtskraft G und der aus der elastischen Verformung resultierenden Federkraft der Unterlagsplatte.
Die Unterlagsplatte, insbesondere die der Aufschlagstelle (2) gegenüberliegende Fläche liegt während dieser Stoßvorgänge auf eine schwingungstechnisch steife und unbewegliche Unterlage (3) auf.
Mit dem Sensor (5), der eine Bewegungsgröße – im Beispiel die Beschleunigung – aufnimmt, werden die Bewegungen des Stoßkörpers erfasst und in Form von zeitabhängigen elektrischen Signalen an die Steuerung (6) übergeben. Mittels einer Kalibrierung können die Bewegungsgrößen aus den elektrischen Signalen berechnet werden. Die Aufzeichnung der Bewegungsgröße beginnt vor dem Auftreffen auf die Aufschlagstelle (2) und endet mit dem Erreichen eines statischen Kräftegleichgewichtes und der Ruhe des Stoßkörpers (1).
Vorteilhafterweise kann die Messung mit dem Loslassen des Stoßkörpers (1) aus seiner Ausgangshöhe h gestartet werden.
In 2 ist ein Beispiel für die Messung des Bewegungsverhaltens als Beschleunigungs-Zeit-Verlauf einer Messung dargestellt.
Der Wert â₁, ist der gemessene Spitzenwert der Beschleunigung während des ersten Stoßes. Er ist damit gleichzeitig ein Maß für den am Aufschlagort des Stoßkörpers auf die Unterlagsplatte vorhandenen Widerstand gegen eine Verformung durch eine Kraft, der hier als Klopfsteifigkeit bezeichnet wird.
Das lineare bzw. logarithmische Verhältnis der Beschleunigungsspitzenwerte zwischen dem zweiten und dem ersten Stoß bzw. dem (n + 1)-ten und dem n-ten Stoß sind zwei Berechnungsvarianten für die Dämpfung des Plattenwerkstoffes der Unterlagsplatte.
Neben der Messung der Klopfsteifigkeit und der Dämpfung als qualitätsbestimmende vibrationstechnische Eigenschaften einer einzelnen Unterlagsplatte wird das Verfahren erweitert, indem Messungen der beschriebenen Eigenschaften des Plattensatzes einer Fertigungslinie in der Gesamtheit oder in einer statistisch repräsentativen Menge zu bestimmten Zeiten innerhalb der Lebensdauer der Unterlagsplatten erfolgen und diese unter statistischen und tendenziellen Kriterien ausgewertet werden.
Diese Ausgestaltung des Verfahrens soll nachfolgend an einem Beispiel mit statistischer Auswertung (siehe Diagramm in 3) beschrieben werden.
Der Plattenbestand einer Fertigungsanlage oder eine statistische repräsentative Teilmenge davon wird zum Zeitpunkt T₀ = 0 (z. B. im Neuzustand) entsprechend vorabbeschriebenem Verfahren in den qualitätsbestimmenden vibrationstechnischen Eigenschaften (Kennwerten) vermessen. Im Ergebnisse erhält man eine Menge an Messwerten für die Klopfsteifigkeit und die Dämpfung. Die nachfolgenden Ausführungen benutzen die Werte der Klopfsteifigkeit für die statistische Auswertung.
Aus dem Messdatensatz zum Zeitpunkt T₀ = 0 berechnen sich

– der Mittelwert X ₀ und
– die Standardabweichung δ₀ (siehe 3).

Sofern Unterlagsplatten mit stark abweichenden Kennwerten („Ausreißer”) insbesondere mit ungünstiger Vibrationsübertragung festgestellt werden und ein Vergleich mit Grenzwerten möglich ist, können diese Unterlagsplatten bereits ausgesondert und erforderlichenfalls ersetzt werden (Neuzustand).
Die gewonnenen Daten und statistischen Auswertungen werden für die weitere Bearbeitung in geeigneter Weise dauerhaft gesichert.
Die nächste Messung des gleichen Plattenbestandes oder einer statistisch repräsentativen Teilmenge erfolgt zum Zeitpunkt T₁ = 1 (z. B. nach einem Jahr). Im Ergebnisse erhält man wieder eine Menge an Messwerten für die Klopfsteifigkeit und die Dämpfung.
Aus dem Messdatensatz zum Zeitpunkt T₁ = 1 berechnen sich

– der Mittelwert X ₁ und
– die Standardabweichung δ₁ (siehe 3).

Ein Vergleich der Kennwerte mit den Werten aus der vorangegangenen Messung lässt Tendenzen der Kennwertentwicklung erkennen und daraus erforderlichenfalls Maßnahmen (z. B. Ersatz von Unterlagsplatten mit starken Abweichungen zum Mittelwert X ₀) ableiten.
In vergleichbaren Zeitabständen werden die Messungen wiederholt und statistisch ausgewertet. Somit erhält man jeweils

– die Mittelwerte X _i und
– die Standardabweichungen δ_i.

Mit den vorliegenden Kennwerten und deren Entwicklung der Mittelwerte sind Maßnahmen ableitbar wie

– Aussonderung einzelner Unterlagsplatten mit stark vom Mittelwert abweichenden Kennwerten,
– Ersatz des kompletten Plattenbestandes bei Erreichen des Grenzwertes für eine ausreichende Verdichtungswirkung.

Bei der Aussonderung einzelner Unterlagsplatten mit stark vom Mittelwert abweichenden Kennwerten verändert sich der Mittelwert X _i und die Standardabweichung δ_i der Kennwerte des verbleibenden Plattenbestandes wie es beispielhaft in der zweiten Kurve X * / i (t) ab dem Zeitpunkt T₂ im Diagramm in 3 dargestellt ist.
Die Erfassung der Kennwertentwicklung gestattet die Bestimmung eines optimalen Ersatzzeitpunktes des gesamten Plattenbestandes und damit die bestmögliche Nutzung dieses kostenintensiven Fertigungsmittels.
Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zum Stand der Technik auf. Mit dem neuen Prüfverfahren ist es möglich die werkstückspezifische Kenngrößen der Klopfsteifigkeit und der Dämpfung von Unterlagsplatten im Betonwerk im Einsatz zu bestimmen, deren Werte ein Maß für die schwingungstechnischen Eigenschaften und den Verschleisszustand der Unterlagsplatte sind und mit der Verdichtungswirkung und den zu erwartenden Produkteigenschaften korrelieren.
Mit dem prozessnah bzw. prozessintegriert einsetzbaren Messgerät ist eine schnelle Messung durchführbar.
Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, verschiedene Plattenwerkstoffe mit einem Prüfverfahren prüfen zu können, sowie die Prüfungen über den Nutzenszeitraum der Unterlagsplatten auszuführen, um mit den Messwerten eine objektive Entscheidungsgrundlage für den rechtzeitigen Ersatz einzelner oder aller Unterlagsplatten einer Fertigungslinie bei Erreichen der Verschleissgrenze zu haben. Damit wird das Absinken der Produktqualität aufgrund veränderter Platteneigenschaften rechtzeitig durch einen Wechsel des Plattenbestandes verhindert.
Mit dem Prüfgerät besteht für den Betonwarenproduzent eine Orientierungshilfe bei der Wahl eines bestimmten Plattenmaterials. Bisher haben die produzierenden Unternehmen keine Möglichkeit, die Aussagen der Plattenhersteller vor dem Erwerb der Platten auf ihre Richtigkeit in der Praxis zu überprüfen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, dass die konstante Kraft F zur Beschleunigung des Stoßkörpers neben der Gewichtskraft zusätzlich durch eine ebenfalls vertikal wirkende Feder erzeugt wird, deren Kraft sich zu der Gewichtskraft addiert. 4 zeigt eine derartige Ausgestaltung der Erfindung. In dieser Anordnung ist es möglich, zur Erreichung einer vergleichbaren Energie für die Verformung der Fertigungsfläche der Unterlagsplatte (1) eine geringere Masse m des Stoßkörpers (1) anzunehmen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, dass die konstante Kraft F zur Beschleunigung des Stoßkörpers (1) durch eine Feder (7) erzeugt wird, die horizontal angeordnet ist und den Stoßkörper (1) aus einem Abstand s zur Oberfläche der Unterlagsplatte (4) beschleunigt (siehe 5).
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine zangenartige Messeinrichtung eine dynamische Kraft symmetrisch von beiden Seiten auf die Unterlagsplatte ausübt (siehe 6).
Mittels entsprechender Sensoren werden die Kraft-Zeit-Funktion und die Verformungs-Zeit-Funktion erfasst und als Hysteresekurve darstellt (siehe 7). Den steifigkeitsbeschreibenden Kennwert erhält man aus der Steigung der Hysteresekurve. Die Fläche innerhalb der Hysteresekurve ist ein Maß für den Kennwert Dämpfung.
Bezugszeichenliste

1: Stoßkörper
2: Aufschlagstelle des Stoßkörpers
3: Unterlage
4: Unterlagsplatte
5: Sensor
6: Steuerung
7: Feder
8: Kraftaktor (mit Kraft- und Wegsensor)
9: Gestell („Zange”)

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 Nicht-Patentliteratur

S. Franz: Langzeit-Bewertung von Kunststoff-Unterlagsplatten. BFT Betonwerk + Fertigteil-Technik Nr. 4 1999 S. 114 [0028]
Fachvereinigung Betonprodukte für Straßen-, Landschafts- und Gartenbau e. V. (SLG): Merkblatt Unterlagsplatten für die Betonsteinindustrie. 01/2002 [0028]
Tegernseer Gebräuche, Gebräuche im inländischen Handel mit Rundholz, Schnittholz, Holzwerkstoffen und anderen Holzhalbwaren. www.Holz.de [0028]
DIN EN ISO 179-1:2006-05; Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 1: Nicht instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung [0028]
DIN EN ISO 179-2:2000-06; Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung [0028]
DIN EN 10045:1991-04 – 1; Metallische Werkstoffe – Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy – Teil 1: Prüfverfahren [0028]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der vibrationstechnischen Eigenschaften von Unterlagsplatten in einer Umlaufanlage zur Herstellung von Betonwaren mittels Vibrationsverdichtung während ihrer Nutzung mit der Durchführung der Verfahrensschritte: • der Einwirkung einer dynamischen Kraft auf mindestens eine Fertigungsfläche der Unterlagsplatte, • die Messung des Zeitverlaufes von Bewegungs- und/oder Kraftgrößen an den krafteinleitenden Körpern und/oder der Oberfläche der Unterlagsplatte im Einwirkungsbereich der Krafteinwirkung und • die Berechnung von prüfkörperbezogenen Steifigkeits- und Dämpfungsgrößen aus dem Zeitverlauf der Bewegungs- und/oder Kraftgrößen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitfunktion der einwirkenden Kraft ein mehrfacher, mindestens jedoch 2-facher Stoßimpuls mit einem Beschleunigungsspitzenwert des ersten Stoßes zwischen 150 m/s² und 250 m/s² ist, wobei der Stoßvorgang durch eine konstant z. B. mit ca. 1 g = 9,81 m/s² beschleunigte bewegte Masse beim mehrfachen, mindestens jedoch 2-fachen Auftreffen auf die Oberfläche der Unterlagsplatte erzeugt wird und die Unterlagsplatte auf der der Aufschlagfläche gegenüberliegenden Plattenseite gegen eine schwingungstechnisch unbewegliche und steife Gegenfläche für die Zeit der Stoßeinwirkungen dauerhaft aufliegt
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitfunktion der einwirkenden Kraft harmonisch mit einer Kraftamplitude im Bereich von 5 kN bis 15 kN und einer ausreichenden Vorspannkraft zur Verhinderung des Abhebens des bzw. der Druckstempel, einer Frequenz im Bereich von 20 Hz bis 60 Hz und einer Druckfläche des bzw. der Druckstempel von A ≈ 452 mm² ist, wobei sowohl eine beidseitige Krafteinwirkung mit symmetrisch auf beiden Fertigungsseiten der Unterlagsplatte gegenüberliegenden Einwirkungsflächen der Druckstempel und symmetrischer Kraftfunktion als auch eine einseitige Krafteinwirkung mit Auflage der der Aufdruckfläche gegenüberliegenden Plattenseite der Unterlagsplatte gegen eine schwingungstechnisch unbewegliche und steife Gegenfläche für die Zeit der Krafteinwirkungen ausgeführt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Kraft- und Bewegungsgrößen gemessen und gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass aus den Zeitverläufen der Kraft bzw. der Bewegung (Verformung) eine prüfkörperbezogene Steifigkeits- und Dämpfungsgröße berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sowie Anspruch 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten prüfkörperbezogenen Steifigkeits- und Dämpfungswerte ein Maß für die verfahrenstechnisch wesentliche Eigenschaft der Verdichtungswirkung der Unterlagsplatte darstellen und damit eine Aussage der zu erwartenden Qualität für die herzustellenden Produkte erlaubt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sowie Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen über die Nutzungsdauer einer Unterlagsplatte in geeigneten Zeiträumen z. B. jährlich wiederholt werden und damit • eine Bestimmung des Verschleisszustandes der im Umlauf befindlichen Unterlagsplatten möglich wird, • eine Aussage zum Zeitpunkt des Ersatzes des Bestandes der im Umlauf befindlichen Unterlagsplatten bei Erreichen der Verschleissgrenze ableitbar ist und • einzelne, übermäßig verschlissene Unterlagsplatten sofort aus dem Fertigungsprozess genommen werden können.
Vorrichtung zur Bestimmung von für die Vibrationsverdichtung im Herstellungsprozess von Betonwaren qualitätsbestimmenden dynamischen Eigenschaften von Unterlagsplatten, durch die Einwirkung einer dynamischen Kraft auf eine Fertigungsfläche der Unterlagsplatte, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stoßkörper (1) mit der Masse m in vertikale Richtung aus der Höhe h auf die horizontal und im Bereich der Aufschlagfläche (2) auf eine schwingungstechnisch unbewegliche und steife Unterlage (3) positionierte Unterlagsplatte (4) im freien Fall unter Wirkung der Gewichtskraft G fällt und in Folge des Stoßvorganges mit der Unterlagsplatte (4) vom Beginn des Kontaktes bis zum Stillstand des Körpers (1) ein von den dynamischen Eigenschaften der Unterlagsplatte abhängendes charakteristischen Bewegungsverhalten X(t) zeigt, das mittels des Beschleunigungssensors (5) mit bekannter Übertragungsfunktion Φ in eine elektrische Größe E(t) gewandelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Bewegung als elektrische Größe E(t) in der Steuereinheit (6) gespeichert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (6) aus den gespeicherten Zeitverläufen der Bewegungsgröße die prüfkörperspezifischen Steifigkeits- und Dämpfungsgrößen berechnet werden, indem die Spitzenwerte des elektrischen Signals Ê₁ aus dem ersten, Ê₂ aus dem zweiten usw. bis Ê_n aus dem n-ten Stoß numerisch ermittelt und mittels der bekannten Übertragungsfunktion Φ in Spitzenwerte der Bewegungsgrößen X ^₁, X ^₂ , usw. bis X ^_n umgerechnet werden, wobei die Bewegungsgröße X ^₁ ein Maß für die prüfkörperspezifische Steifigkeit und das lineare bzw. das logarithmische Verhältnis des Bewegungsgröße X ^_i zu X ^_i+1 für i = 1 ... (n – 1) ein Maß für die prüfkörperspezifische Dämpfung sind.