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Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Testeinrichtung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling sowie ein Verfahren zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling.
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Bei einer mechanischen Belastungsprüfung werden kontrollierte Kräfte mittels eines Teststands, bspw. zum Testen von Wellen von Windenergieanlagen, auf einen Prüfling übertragen, um dessen mechanische Stabilität zu untersuchen. Meist werden für eine Erzeugung der Kräfte Arbeitszylinder, insbesondere Hydraulikzylinder verwendet. Auch auf Komponenten des Teststandes selbst wirken dabei große Kräfte. Die Teststände müssen daher so konstruiert sein, dass diese den Kräften standhalten, um eine lange Lebensdauer des Teststands zu ermöglichen.
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Aufgabe der folgenden Offenbarung ist es daher, eine besonders vorteilhafte Testeinrichtung zu beschreiben. Diese Aufgabe wird gelöst durch die in Anspruch 1 beschriebene Testeinrichtung für eine Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling und das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren.
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Die Testeinrichtung umfasst dabei ein aufnehmendes Bauelement, das einen Hohlraum zur Aufnahme des Prüflings umfasst sowie eine Belastungsanordnung zur Belastung des aufnehmenden Bauelementes mit einer Zugkraft mittels eines Arbeitszylinders, wobei der Arbeitszylinder mechanisch über eine Stange mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden ist. Die Belastungsanordnung umfasst dabei weiter eine Vorspanneinheit, die ausgebildet ist, die Stange mit einer Zugkraft zu belasten.
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Der hier beschriebenen Testeinrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Materialermüdung oftmals desto schneller erfolgt, je größer eine Betriebslaständerung zwischen einem unbelasteten und einem belasteten Zustand einer Komponente ist. Der unbelastete Zustand entspricht hier einem Zustand, bei dem der Arbeitszylinder nicht mit einer Kraft beaufschlagt ist und entsprechend der belastete Zustand einem Zustand der Komponente, bei der der Arbeitszylinder mit einer Kraft beaufschlagt wird. Die Stange als Verbindungselement ist dabei besonders von Materialermüdung betroffen. Durch die Vorspanneinheit kann die Stange nun mit einer Zugkraft vorgespannt werden, so dass auch im unbelasteten Zustand die Stange eine gewisse Betriebslast aufweist. Hierdurch kann die Betriebslaständerung verringert werden.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Testeinrichtung beschrieben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird nur ein Teil der Stange von der Vorspanneinheit zugbelastet. In einer Variante dieser Ausführungsform wird derjenige Teil der Stange durch die Vorspanneinheit zugbelastet, der auch bei Beaufschlagung des Arbeitszylinders mit einer Kraft zugbelastet wird.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorspanneinheit, alternativ oder zusätzlich, ein Beabstandungselement, das ein Ende der Stange fixiert und gegen das ein entgegengesetztes Ende der Stange zugverspannbar ist. Insbesondere ist dabei das eine Ende dasjenige Ende der Stange, das dem aufnehmenden Bauelement zugewandt ist.
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Im Folgenden werden verschiedene Varianten der Ausführungsform mit einem Beabstandungselement beschrieben.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist das eine Ende der Stange formschlüssig mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden. Zudem stützt sich ein dem aufnehmenden Bauelement zugewandtes Ende des Beabstandungselements an einer Außenwand des aufnehmenden Bauelementes ab. In einigen dieser Varianten umfasst dabei zur formschlüssigen Fixierung das aufnehmende Bauelement ein Innengewinde und die Stange ist als ein Bolzen ausgebildet, der in das Innengewinde eingeschraubt ist.
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In zumindest einer dieser Varianten ist dabei das Beabstandungselement, zusätzlich oder alternativ, an einer planaren Anlagefläche der Außenwand abgestützt. Das Abstützen an der planaren Anlagefläche hat dabei den Vorteil einer selbstzentrierenden Ausrichtung des Beabstandungselementes. Zudem reduziert eine planare Anlagefläche bei der das Beanstandungselement nicht auf eine Position gezwungen wird, ein Auftreten von parasitären Kräften.
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In einer anderen Variante der Ausführungsform mit Beabstandungselement umfasst die Vorspanneinheit, zusätzlich oder alternativ, ein Spannelement, das sich an einem von dem aufnehmenden Bauelement abgewandten Ende des Beabstandungselements abstützt und mittels dessen das eine Ende der Stange relativ zum entgegengesetzten Ende der Stange bewegt werden kann. Dies dient der Belastung der Stange mit einer Zugkraft.
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Das Spannelement kann dabei unterschiedlich ausgestaltet sein. In einer Variante weist das Spannelement ein Innengewinde auf und ist mit diesem Innengewinde auf ein Außengewinde der Stange geschraubt. In einer Ausgestaltung ist das Spannelement dabei eine Schraubenmutter. In anderen Ausgestaltungen eine SuperBolt Spanneinrichtung.
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In einer anderen Variante weist der Arbeitszylinder, zusätzlich oder alternativ, einen Hohlkolben auf, wobei die Stange und das Beabstandungselement in einem Inneren des Hohlkolbens angeordnet sind.
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In anderen Varianten weist das Beabstandungselement, alternativ oder zusätzlich, einen Vorsprung auf, hinter den der Arbeitszylinder hintergreift, um das aufnehmende Bauelement mit einer Zugkraft zu belasten. Der Vorsprung ist in einigen dieser Varianten als Kragen ausgebildet. Zusätzlich oder alterntiv ist in einigen dieser Varianten der Vorsprung von einer anderen Seite, die einer Seite für das Hintergreifen des Arbeitszylinders gegenüberliegt, als Anlagefläche für das Spannelement ausgebildet.
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In einer anderen Variante umfasst das Beabstandungselement, zusätzlich oder alternativ, eine Hülse, die die Stange umschließt.
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In einer kombinierten Variante, ist das Beabstandungselement als Hülse ausgebildet, die die Stange umschließt, und der Arbeitszylinder weist einen Hohlraum auf, wobei die Stange und das Beabstandungselement in einem Inneren des Hohlkolbens angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ ist in einigen dieser Varianten der Arbeitszylinder ein Hydraulikzylinder, wobei die Hülse eine Außenwand eines Druckraums des Hydraulikzylinders bildet.
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In einer anderen Ausführungsform, umfasst die Belastungsanordnung, zusätzlich oder alternativ, zwei Arbeitszylinder, die entlang einer Zugachse an gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelements positioniert sind. Dies ist vorteilhaft, um das aufnehmende Bauelement und damit den Prüfling symmetrisch von zwei gegenüberliegenden Seiten zu belasten. Weiterhin ermöglicht dies, das aufnehmende Bauelement mit definierten, mittels der Arbeitszylinder einstellbaren Zugkräfte zu beaufschlagen.
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In einer Variante dieser Ausführungsform, stützen sich beide Arbeitszylinder an Anlageflächen an gegenüberliegenden Seiten eines Stützelementes ab, wobei die Anlageflächen als planare Anlageflächen senkrecht zur Zugachse ausgebildet sind. Durch die Ausrichtung der Anlageflächen haben diese eine selbstzentrierende Wirkung bzgl. der Zugrichtung der Arbeitszylinder. Außerdem werden durch die planare Anlageflächen, die die Arbeitszylinder nicht in eine Position zwingen, parasitäre Lasten reduziert. In einigen Ausgestaltungen dieser Variante umschließt das Stützelement zumindest teilweise das aufnehmende Bauelement.
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In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Testeinrichtung um eine Testeinrichtung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einer Komponente einer Windenergieanlage. In einer anderen Ausführungsform handelt es sich, zusätzlich oder alternativ, bei der Testeinrichtung um eine Testeinrichtung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an zylindersymmetrischen Bauelementen wie beispielsweise Wälzlagern oder Wellen. In Ausführungsformen ist hierzu das aufnehmende Bauelement, alternativ oder zusätzlich, in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist, alternativ oder zusätzlich, das aufnehmende Bauelement ausgebildet und/oder der Arbeitszylinder mit der Stange so angeordnet, dass die Zugkraft in einer radialen Richtung des zylindersymmetrischen Bauelementes wirkt.
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Im Folgenden wird das oben bereits genannte Verfahren zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling beschrieben.
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Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Einbringen des Prüflings in einen Hohlraum eines aufnehmenden Bauelements;
- - Durchführen der Belastungsprüfung durch Belasten des aufnehmenden Bauelementes mit einer Zugkraft mittels eines Arbeitszylinders, der mechanisch mittels einer Stange mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden ist; wobei
- - vor dem Beaufschlagen des aufnehmenden Bauelementes die Stange mittels einer Zugkraft vorgespannt wird.
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Das Verfahren weist die gleichen Vorteile auf, wie die oben beschriebene Testeinrichtung.
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In einer Ausführungsform des Verfahren erfolgt die Durchführung der Belastungsprüfung mittels zweier Arbeitszylinder, die das aufnehmende Bauelement mittels jeweils einer Stange von gegenüberliegenden Seiten mit einer Zugkraft beaufschlagen, wobei während der Belastungsprüfung immer beide Arbeitszylinder mit einer Kraft beaufschlagt werden. Diese Verfahrensführung ist besonders vorteilhaft, weil durch die Beaufschlagung beider Zylinder mit einer Kraft, ein auf Block gehen eines der Zylinder verhindert werden kann. In einer Variante dieser Ausführungsform werden beide Arbeitszylinder während der Durchführung der Belastungsprüfung mit jeweils einem minimalen Druck von 20 bar beaufschlagt. Durch das Verhindern des Blockierens wird dafür gesorgt, dass das aufnehmende Bauteil im Wesentlichen in eine Richtung belastet wird und die eingeleitete Kraft zuverlässig an weitere Bauteile weiterleiten kann. Wären die Zylinder auf Block, so könnte sich eine ungewünschte Deformation des aufnehmenden Bauteils einstellen. In einer weiteren Variante werden alternativ oder zusätzlich beide Stangen vorgespannt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird alternativ oder zusätzlich zum Durchführen der mechanischen Belastungsprüfung eine Testeinrichtung nach einem der oben beschriebenen Ansprüche verwendet.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Testeinrichtung sowie des Verfahrens anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Dazu wird zunächst eine Übersicht der Figuren gegeben.
- 1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Testeinrichtung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling;
- 2 zeigt eine Illustration zur Wirkweise einer Vorspanneinheit der in 1 gezeigten Testeinrichtung;
- 3 zeigt ein Verfahren zum Durchführen einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling; und
- 4 zeigt eine modifizierte Verfahrensführung des in 3 gezeigten Verfahrens zum Durchführen einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling.
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Im Folgenden werden die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben.
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Zunächst soll dazu ein Ausführungsbeispiel einer Testvorrichtung anhand von 1 und 2 beschrieben werden.
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1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Testeinrichtung 100 zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling. Fig. 2zeigt eine Illustration zur Wirkweise einer Vorspanneinheit der in 1 gezeigten Testeinrichtung 100-
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Die Testeinrichtung 100 umfasst ein aufnehmendes Bauelement 102 sowie eine Belastungsanordnung.
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Das aufnehmende Bauelement 102 weist einen Hohlraum 102.1 zur Aufnahme eines Prüflings auf. Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dient die Testeinrichtung 100 zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einer Welle für Windenergieanlagen. Hierzu ist das aufnehmende Bauelement 102 in der Form eines Hohlzylinders gestaltet, so dass eine zu prüfende Welle in den Hohlraum 102.1 eingebracht werden kann. Das in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Konzept kann jedoch auch zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an anderen Bauelementen, auch aus anderen Bereichen der Technik, verwendet werden.
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Die von der Testeinrichtung 100 ebenfalls umfasste Belastungsanordnung dient zum Belasten des aufnehmenden Bauelementes 102 mit einer Zugkraft. Hierzu umfasst die Belastungseinrichtung zwei Arbeitszylinder 104A und 104B, die symmetrisch an einander gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelementes 102 angeordnet sind. Die Arbeitszylinder 104A und 104B sind in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel Hydraulikzylinder. Es können aber auch andere Arbeitszylinder wie beispielsweise Elektro- oder Pneumatikzylinder verwendet werden. Die mechanische Kraftübertragung der Arbeitszylinder 104A und 104B erfolgt jeweils über eine als Bolzen ausgebildete Stange 106A und 106B. Die Stangen 106A und 106B sind jeweils über ein Schraubgewinde 102.3A und 102.3B mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden. Um eine kompakte und damit platzsparende Anordnung der Testeinrichtung 100 zu ermöglichen, sind die Arbeitszylinder 104A und 104B als Hohlkolbenzylinder ausgebildet, wobei die Stangen 106A und 106B durch einen Hohlraum 104A.1 und 104B.1 jeweils eines der Arbeitszylinder 104A und 104B geführt sind. Durch die symmetrische Anordnung der Zylinder an einander gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelementes 102 kann das aufnehmende Bauelement 102 mit entgegengesetzten Zugkräften entlang einer gemeinsamen Zugachse A belastet werden. Hierdurch ist es möglich, das aufnehmenden Bauelementen 102 (und damit auch den Prüfling) mit einer Zugbelastung unter definierten Testbedingungen zu belasten.
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Bei der Belastung des aufnehmenden Bauelementes 102 durch die Arbeitszylinder 104A und 104B mit einer Zugspannung werden auch die Stangen 104A und 104B unter Zugspannung gesetzt. Ein häufiger Wechsel zwischen Be- und Entlastung der Stangen 106A und 106B kann zu einer beschleunigten Materialermüdung führen. Um der Materialermüdung vorzubeugen, umfasst die Belastungsanordnung zwei Vorspanneinheiten 108A und 108B, die jeweils einem der Arbeitszylinder bzw. einer der Stangen zugeordnet sind. Die Vorspanneinheiten 108A und 108B sind dabei so ausgebildet, dass sie es ermöglichen, die Stangen 106A und 106B mit einer Zugkraft zu belasten, die für eine Grundbelastung der Stangen 106A und 106B sorgt. Durch die Grundbelastung der Stangen 106A und 106B sind Differenzen in der Belastung der Stangen 106A und 106B zwischen Phasen der Be- und Entlastung mit den Arbeitszylindern 104A und 104B weniger groß. Sie Vorspanneinheiten 108A und 108B sind identisch aufgebaut. Deswegen wird im Folgenden nur auf die Vorspanneinheit 108A eingegangen.
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Zur Herstellung der Grundbelastung umfasst die Vorspanneinheit 108A ein Beabstandungselement 108A.2 und ein Spannelement 108A.1.
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Das Beabstandungselement 108A.2 hat die Form einer Hülse und umschließt einen mittleren Bereich der Stange 106A. Das Beabstandungselement 108A.2 hat die Funktion, ein dem aufnehmenden Bauelement 102 zugewandtes Ende der Stange 106A zu fixieren und eine Zugverspannung des dem aufnehmenden Bauelement 102 abgewandten Endes der Stange 106A gegen das fixierte Ende der Stange 106A zu ermöglichen. Die Fixierung erfolgt dabei durch ein Abstützen eines dem aufnehmenden Bauelement 102 zugewandten Endes des Beabstandungselements 108A an einer Außenwand 102.2 des aufnehmenden Bauelementes 102. Die Herstellung der Zugverspannung erfolgt im Zusammenspiel des Beanstandungselementes 108A.2 und des Spannelementes 108A.1. Das Beabstandungselement 108A.2 stützt sich dabei an einer planaren Anlagefläche 102.4A der Außenwand 102.2 des aufnehmenden Bauelementes 102 ab, die in 1 nur angedeutet ist. Die planare Anlagefläche 102.4A ist dabei weitestgehend senkrecht zur Zugachse A ausgebildet.
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Das Spannelement 108A.2 stützt sich an einem von dem aufnehmenden Bauelement 102 abgewandten Ende des Beabstandungselements 108A.2 ab und ist ausgebildet das eine Ende der Stange 106A relativ zum entgegengesetzten Ende der Stange 106A zu bewegen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist dies dadurch ermöglicht, dass für das Spannelement 108A.1 ein sogenannter SuperBolt verwendet wird. Das Spannelement 108A.1 weist dabei ein zentrales Innengewinde auf, mittels dem das Spannelement 108A.1 auf ein von dem aufnehmenden Bauelement abgewandten Ende der Stange 106A aufgeschraubt ist. Zusätzlich weist das Spannelement 108A.1 eine Anzahl von Druckschrauben 108A.1.1 auf, durch deren Anziehen das dem aufnehmenden Bauelement abgewandte Ende der Stange 106A in eine Richtung weg vom aufnehmenden Bauelement 102 verschoben werden kann. Hierdurch und durch die Fixierung des dem aufnehmenden Bauelement zugewandten Endes der Stange 106A wird die Stange im Resultat zugverspannt.
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Die Wirkweise der Vorspanneinheit 108A ist auch noch einmal schematisch in 2 dargestellt.
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Darin ist durch einen Pfeil 120 die Vorspannung der Stange 106A angedeutet. Weiterhin deuten die Pfeile 122A und 122B einen durch ein Anziehen des Spannelementes 108A.1 der Vorspanneinheit 108A verursachten Kraftfluss an. Dieser wird, wie in 2 zu sehen ist, überwiegend durch die Komponenten der Vorspanneinheit 108A geleitet. Die Vorspannkraft der Stange 106A wird somit nicht über die Zylinder 104A und 104B geleitet.
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Zur Beanspruchung des aufnehmenden Bauelementes 102 mit einer Zugkraft durch den Arbeitszylinder 104A umfasst das Beabstandungselement 108A.2 ein Vorsprung 108A.2.1 in Form eines Kragens, hinter den der Arbeitszylinder hintergreift. Wie bereits oben beschrieben wurde, handelt es sich bei den Arbeitszylindern 104A und 104B um Hohlkolbenzylinder mit jeweils einem Hohlraum 104A.1 und 104B.1. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfüllt das Beabstandungselement 108A.2 eine Doppelfunktion, in dem das Beabstandungselement 108A.2 zusätzlich auch als eine Außenwand eines Druckraums 104A.2 des Arbeitszylinders 104A dient.
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Die Arbeitszylinder 104A und 104B stützen sich an jeweils einer Anlagefläche 110.1A und 110.1B an gegenüberliegenden Seiten eines Stützelementes 110 ab. Die Anlageflächen 110.1A und 110.1B sind dabei senkrecht zur Zugachse ausgebildet. Hierdurch wirken die Anlageflächen 110.1A und 110.1B selbstzentrierend auf die Arbeitszylinder 104A und 104B.
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Im Folgenden wird anhand der 3 und der 4 eine Verfahrensführung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling beschrieben.
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3 zeigt ein Verfahren 200 zum Durchführen einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling.
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Das Verfahren 200 umfasst drei Schritte. In einem ersten Schritt 202 wird der Prüfling in einen Hohlraum eines aufnehmenden Bauelements eingebracht. In einem zweiten Schritt 204 eine Stange, mittels der ein Arbeitszylinder mechanisch mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden ist, mit einer Zugkraft vorgespannt. In einem dritten Schritt 206 wird dann die Belastungsprüfung durch Beaufschlagen des aufnehmenden Bauelementes mit einer Zugkraft mittels des Arbeitszylinders durchgeführt.
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Besonders bei einer symmetrischen Anordnung von mindestens zwei Arbeitszylindern auf gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelements ist jedoch die Gefahr gegeben, dass durch das Beaufschlagen des einen Arbeitszylinders, der andere Arbeitszylinder auf Block geht, wodurch die Testeinrichtung im Folgenden nur eingeschränkt genutzt werden kann. Aus diesem Grund ist bei einer Anordnung von Arbeitszylindern an gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelementes auch eine modifizierte Verfahrensführung vorteilhaft. Diese wird im Folgenden anhand von 3 erklärt.
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4 zeigt eine modifizierte Verfahrensführung 300 zum Durchführen einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling.
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Das Verfahren 300 stimmt dabei in den ersten beiden Schritten überein mit dem Verfahren 200 aus 2. Diese beiden Schritte sind auch mit den gleichen Referenzzeichen bezeichnet. Eine abweichende Verfahrensführung des Verfahrens 300 findet in erster Linie im dritten Schritt 306 statt.
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In Schritt 306 wird die Belastungsprüfung durch Beaufschlagen des aufnehmenden Bauelementes mit einer Zugkraft mittels des Arbeitszylinders durchgeführt, wobei während der Belastungsprüfung zwei gegenüberliegende Arbeitszylinder mit einer Kraft beaufschlagt und beide Arbeitszylinder während der Belastungsprüfung ständig unter einer minimalen Hydraulikspannung von 20 bar gehalten werden.
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Durch die Beaufschlagung zweier gegenüberliegender Arbeitszylinder wird ebenfalls eine definierte Testbedingung geschaffen, dadurch dass die auf das aufnehmende Bauelement wirkende Gesamtkraft aus den Kräften der einzelnen Arbeitszylinder abgeleitet werden kann. Weiterhin wird hierdurch ein Auf-Block-Gehen der Arbeitszylinder in der Ausgangslage und/oder in den beiden möglichen Extremlagen verhindert. Durch das Verhindern des Blockierens wird dafür gesorgt, dass das zentrale Bauteil im Wesentlichen in eine Richtung belastet wird und die eingeleitete Kraft zuverlässig an weitere Bauteile weiterleiten kann. Wären die Zylinder auf Block, so könnte sich eine ungewünschte Deformation des zentralen Bau-teils einstellen.
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Zusammenfassend beschreibt die vorliegende Offenbarung eine Testeinrichtung (100) zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling. Die Testeinrichtung (100) umfassend dabei ein aufnehmendes Bauelement (102), das einen Hohlraum (102.1) zur Aufnahme des Prüflings umfasst und eine Belastungsanordnung zum Belasten des aufnehmenden Bauelementes (102) mit einer Zugkraft mittels eines Arbeitszylinders (104A, 104B), wobei der Arbeitszylinder (104A, 104B) mechanisch über eine Stange (106A, 106B) mit dem aufnehmenden Bauelement (102) verbunden ist. Weiterhin umfasst die Belastungsanordnung weiter eine Vorspanneinheit (108A, 108B), die ausgebildet ist, die Stange (106A, 106B) mit einer Zugkraft zu belasten.
