DE10300924A1

DE10300924A1 - Segmentverschluss

Info

Publication number: DE10300924A1
Application number: DE2003100924
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Kühn
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: KUEHN, THOMAS, DR.-ING., 85748 GARCHING, DE
Priority date: 2003-01-13
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2004-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbildung eines Segmentverschlusses, insbesondere zum Verschließen von Druckbehältern oder unter Druck stehenden Rohren. Dabei hat der Segmentverschluß einen Verschlußdeckel, ein Zargenelement und mindestens ein zwischen Verschlußdeckel und am Zargenelement angeordnetes Segmet. Das Segment kann in eine Postition bewegt werden, in der der Segmentverschluß geöffnet ist, und in eine Position, in der der Segmentverschluß geschlossen ist und in welcher das Segment mit der Oberseite des Verschlußdeckels eine Deckelkontaktfläche und mit der Unterseite des Zargenelements eine Zargenkontaktfläche bildet. Das Segment, das Zargenelement und der Verschlussdeckel sind ausgebildet, daß der Abstand zwischen den Flächenschwerpunkten der Deckel- und Zargenkontaktfläche in radialer Richtung möglichst klein ist, um ein an dem Segment angreifendes Kippmoment zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Segmentverschlüsse, insbesondere für Rohre und Druckbehälter.
Segmentverschlüsse werden in vielfältigen Bauausführungen hergestellt. Sie können im wesentlichen durch die Hauptmerkmale Segmentanzahl, Segmentform und Betätigungsmechanismus charakterisiert werden.
a) Segmentanzahl
Für einen gegebenen Behälterinnendurchmesser R_i sowie zulässige Kontaktflächenpressungen der Deckel und Zargenkontaktflächen
existiert eine Segmentanzahl n_s, bei welcher ein maximaler geometrischer Traganteil (Verhältnis der geometrisch genutzten Deckel- und Zargenkontaktflächen zu den entsprechenden Kreisringflächen, welche die maximal nutzbaren Kontaktflächen repräsentieren) der Kontaktflächen vorliegt. Bei einer Erhöhung der Segmentanzahl nimmt der Traganteil infolge des ansteigenden Anteils der Segmentzwischenräume ab; die Kosten steigen entsprechend dem erhöhten Bearbeitungsaufwand sowie dem komplexeren Betätigungsmechanismus an.
b) Segmentform
Hauptsächlich werden Segmentverschlüsse mit parallel gestalteten deckel- und zargenseitigen Kontaktflächen eingesetzt. Eine Ausführung mit gegenüber dem Verschlussdeckel um einen Winkel geneigten, parallel verlaufenden Deckel- und Zargen-Kontaktflächen ist ebenfalls möglich, jedoch entstehen bei dieser Bauart infolge der schrägen Krafteinleitung Seitenkräfte auf die Segmente, welche durch konstruktive Maßnahmen aufgenommen werden müssen.
c) Betätigungsmechanismus
Segmentverschlüsse werden im einfachsten Fall handbetätigt ausgeführt (vgl. hierzu untenstehend 1). Durch die Führung der Segmente mittels Führungsbolzen in Nuten einer konzentrisch am Verschlussdeckel gelagerten Drehscheibe erfolgt das Ver- bzw. Entriegeln durch entsprechendes Drehen der Drehscheibe. Eine Hubspindel ermöglicht das Herausheben bzw. Absenken des Verschlusses zum Öffnen und Schließen des Behälters. Für eine halb-/vollautomatische Betätigung kommt ein hydraulischer oder pneumatischer Betätigungsmechanismus in Frage.
Zum Ver- bzw. Entriegeln des Verschlusses können die Segmente auf 3 verschiedene Arten zwischen Ihren Endstellungen bewegt werden:

1. Durch eine radiale Verschiebung Um ein freigängiges Öffnen und Schließen des Verschlusses zu gewährleisten, muss die Segmentaußenkontur in eingefahrenem Zustand innerhalb der Kontur des Verschlussdeckels zu liegen kommen. Eine radiale Verschiebung kann durch Führungsbolzen im Deckel, welche in Schlitze an der Segmentunterseite eingreifen, sichergestellt werden. Um die Verschlussfunktion zu gewährleisten ist zwischen den Segmenten im eingefahrenen Zustand ein Spaltwinkel vorhanden.
2. Durch eine Schwenkbewegung der Segmente Die einzelnen Segmente sind mittels je einem Lagerpunkt mit dem Verschlussdeckel drehbar verbunden. Bei dieser Ausführung kann durch Ausfräsen entsprechender Segmentbereiche eine Fangvorrichtung im Segment integriert werden, d.h. bei evtl. vorhandenem Restüberdruck im Behälter kann der Verschluss beim Öffnen durch die so erreichte formschlüssige Verbindung vor dem Erreichen der Öffnungsendstellung zum Druckabbau sicher zurückgehalten werden. Allerdings wird durch die Fangvorrichtung die nutzbare Zargenkontaktfläche geringfügig reduziert.
3. Durch Kombination eines translatorischen und rotatorischen Anteils Durch diese Realisierung des Segmentverfahrweges beim Ver- und Entriegelungsvorgang können etwas größere Traganteile als bei der reinen Schwenkausführung erzielt werden. Jedoch ist der Konstruktionsaufwand dieser Betätigungsart etwas höher.

Die vorgenannt beschriebenen Segmentverschlüsse gehören als Hochdruckverschlüsse zu den wichtigen sicherheitsrelevante Komponenten im Druckbehälterbau. Als Schnellverschlüsse erlangen sie durch die Möglichkeit des schnellen Öffnens und Schließens zusätzlich wirtschaftliche Bedeutung. Neben den Segmentverschlüssen existieren weitere Hochdruckverschlüsse, zu deren Hauptbauarten gehören Bajonettverschlüsse, Klammerverschlüsse, Gewindeverschlüsse und Riegelverschlüsse.
Ein Problem, bei der Konzipierung von Segmentverschlüssen ergibt sich daraus, dass in den Regelwerken des Druckbehälterbaus kaum Auslegungsvorschriften zur speziellen Anwendung auf Schnellverschlüsse existieren. Die gängige Auslegung basiert auf einfachen Berechnungsmodellen, welche die Verschlusskomponenten und deren Beanspruchungszustand nur unzureichend beschreiben. Eine vermeintlich konservative Auslegung kann zu unerwünschten Effekten wie Kantentragen, lokale Plastifizierungszonen und in Folge im schlimmsten Fall zum Fressen und der Unbrauchbarkeit des Verschlusses führen.
Beim einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsvorhaben zum Bajonettverschluss wurden die Geometrieabhängigkeiten der Verschlusskomponenten aufgezeigt und Lösungswege für eine gute Konstruktionsausführung vorgeschlagen.
In einem von der DFG geförderten Fortsetzungsvorhaben wurde ein handelsüblicher „herkömmlicher" Segmentverschluss mit einem Betriebsdruck von 50 bar und einem Behälterinnendurchmesser von ca. 500 mm einer eingehenden Belastungsanalyse unterzogen. Es wurde nach eingehender experimenteller und rechnerischer Analyse des Verschlusses untersucht, ob und inwieweit gefundene Ergebnisse beim Bajonettverschluss auf den Segmentverschluss übertragbar sind und inwieweit Kriterien für eine optimale Gestaltung der Verschlusskomponenten gefunden werden können.
Hierbei kamen folgenden Schwachpunkte der „herkömmlichen" Konstruktion zum Vorschein:

– Die geometrisch vorhandenen und zur Kraftübertragung zur Verfügung stehenden Kontaktflächen zwischen Segment/Zarge und Segment/Deckel werden infolge einer der Belastung ausweichenden Kippbewegung der Segmente nur zu einem Bruchteil genutzt. Von der zur Verfügung stehenden Deckelkontaktfläche wird nur ca. 6,5% und von der Zargenkontaktfläche nur 14,5% effektiv zur Lastübertragung genutzt. Die Kontaktflächen weisen in radialer Richtung eine mittlere tragende Breite von 2,5mm auf, welche sich in Richtung der Segmentenden auf 4 bis 5mm erweitern.
– Aufgrund des ungünstigen, kleinen Übergangsradius im Kerbgrund der Zarge tritt hier eine beträchtliche Spannungsüberhöhung auf.
– Wegen der Kraftangriffsverlagerung entsprechend der Kontaktflächenauffächerung in Richtung der Segmentenden hin, treten entsprechend am Segmentabschluss die größten Spannungsüberhöhungen in der Zargenkerbe auf. Diese sind mit ihrem Maximalwert für die Verschlusslebensdauer maßgeblich.
– In sehr hoch beanspruchten Kontaktflächenbereichen, wie sie in Bereichen mit vorliegendem Kantentragen und an den Kontaktflächenberandungen auftreten können, wird der Bereich elastischen Materialverhaltens überschritten; lokale Plastifizierungzonen sind die Folge.

Diese negativen Effekte des Verschlussverhaltens können wie folgt erklärt werden: Bei einer herkömmlichen Segmentgeometrie kann die globale Momentengleichgewichts-bedingung nicht erfüllt werden, d.h. das Segment weicht mit einer Kippbewegung der Scherbelastung aus bis durch Umlagerung der Kraftangriffspunkte ein Gleichgewichtzustand erreicht wird. Es wurde deutlich, dass bei einem Segmentverschluss herkömmlicher Bauart immer eine Segmentkippung je nach Verschlussabmessungen mehr oder weniger ausgeprägt auftritt.
Infolge der Scherwirkung auf die Segmente kippen diese infolge der Scherbelastung an ihrem Innenrand nach oben; zusätzlich stellt sich eine konvexe Verwölbung der Segmentoberseite ein. Infolge der auftretenden Segmentkippung trägt nur ein Bruchteil der nominellen Kontaktfläche und zwar am Innenrand der zargenseitigen und am Außenrand der deckelseitigen Kontaktfläche.
Durch die nach der gängigen Auslegungsmethode überdimensionierte Zargenwand, verformt sich die Zarge am Ort der Kontaktfläche geringer als der Deckel. Ein angepasstes Verformungsverhalten, welches für ein vollständiges Tragen erforderlich ist, liegt somit nicht vor.
Durch geeignete konstruktive Maßnahmen, wie in den Ansprüchen definiert, können die oben aufgeführten Effekte und Schwachstellen der Verschlusskonstruktion abgemindert oder beseitigt werden.
Die vorliegende Erfindung wird insbesondere durch die Patentansprüche defininert. Sie betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines Segmentverschlusses 1, insbesondere zum Verschließen von Druckbehältern oder unter Druck stehenden Rohren, wobei der Segmentverschluß 1 einen Verschlußdeckel 18, ein Zargenelement 14 und mindestens ein zwischen Verschlußdeckel 18 und Zargenelement 14 angeordnetes Segment 16 aufweist, wobei das Segment 16 in eine Position bewegt werden kann, in der der Segmentverschluß geöffnet ist und in eine Position, in der der Segmentverschluß geschlossen ist und in welcher das Segment 16 mit der Oberseite des Verschlußdeckels 18 eine Deckelkontaktfläche 12) und mit der Unterseite des Zargenelements 14 eine Zargenkontaktfläche 10 bildet, ferner Ausbilden des mindestens einen Segments 16, des Zargenelements 14 und des Verschlußdeckels 18, so daß der Abstand zwischen den Flächenschwerpunkten DP_kd, DP_kz der Deckelkontaktfläche 12 bzw. Zargenkontaktfläche 10 in radialer Richtung ΔR_DP möglichst klein ist, um ein an dem Segment 16 angreifendes Kippmoment zu reduzieren.
Vorzugsweise sind die Flächenschwerpunkte DP_kd, DP_kz in radialer Richtung nahezu deckungsgleich. Weiter bevorzugt werden die Flächenschwerpunkte DP_kd, DP_kz abhängig von einem Kontaktflächenwinkel Ω_kd und/oder einer Kontaktflächenbreite l_kd der Deckelkontaktfläche 12, bei ansonsten vorgegebener Geometrie der Zargenkontakfläche 10, in radialer Richtung nahezu zur Deckung gebracht. Weiter bevorzugt weist das erfindungsgemäße Verfahren ein Ausbilden der Deckel- und Zargenkontaktfläche 12, 10 wahlweise einteilig oder bestehend aus mehreren Einzelkontaktflächen A_i,kd/A_i,kz auf.
Weiter bevorzugt wird die Kontaktflächengeometrie der Deckel- und Zargenkontaktfläche 12, 10 durch erhabene Oberflächenbereiche des Verschlußdeckels und/oder des Segments bzw. des Zargenelements und/oder des Segments gestaltet. Weiter bevorzugt liegt ein Ausbilden des Verschlußdeckels 18 und des Zargenelements 14 derart vor, dass die radiale Neigung der Deckelkontaktfläche Δφ_kd des Verschlußdeckels und die radiale Neigung der Zargenkontaktfläche Δφ_kz des Zargenelements bei einer Verformung des Segmentverschlusses 1 in Folge Belastung annähernd gleich groß sind.
Weiter bevorzugt ist ein Anpassen der radialen Neigung der Zargenkontaktfläche Δφ_kz durch eine entsprechende Vordefinition der im wesentlichen folgenden Geometriegrößen des Zargenelements 14 in Kombination einer Zargenwandstärke t_zw, einer Zargenwandhöhe h_ZW, eines mittleren Zargenwandradius R_ZW, einer Zargenkopfhöhe h_ZK und einer Zargenkopfwandstärke t_ZK vorhanden.
Erfindungsgemäß liegt weiter bevorzugt ein Anpassen der radialen Neigung der Deckelkontaktfläche Δφ_kd durch eine entsprechende Vordefinition der im wesentlichen folgenden Geometriegrößen des Verschlußdeckels 18 in Kombination einer Deckeldicke S_D, einem Deckeldurchmesser R_D und einem mittleren Radius R_kd der Deckelkontaktfläche vor.
Ferner ist bevorzugt ein Anpassen der Höhe h_s des Segments 16, so dass die Abweichung der radialen Neigungen der unter einer gleichmäßigen Belastung stehenden, verformten Deckelkontaktfläche Δφ_kd des Verschlußdeckels 18 und der unter einer entsprechenden gleichmäßigen Belastung stehenden Zargenkontaktfläche Δφ_k _z des Zargenelements 14 gegenüber den entsprechenden Kontaktflächen eines einer entsprechenden gleichmässigen Belastung ausgesetzten, verformten Segments 16 minimal ist.
Weiterhin ist bevorzugt ein elliptisches Ausbilden des Übergangsbereichs 24 eines Zargenkopfs 20 des Zargenelements 14 von einer Zargennase 22 zu einer Zargenwand 24. Ferner ist bevorzugt ein Ausbilden des elliptischen Übergangs 24 mit einem Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse r_Z,x zu kleiner Ellipsenhalbachse r_Z,y in einem Bereich größer gleich 1 und kleiner gleich 2. Ein Ausbilden des elliptischen Übergangs 24 mit einem Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse r_Z,x zu kleiner Ellipsenhalbachse r_Z,y in einem Bereich von ungefähr 1,3 ist weiter bevorzugt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren hat vorzugsweise ein Ausbilden des elliptischen Übergangs 24 mit einem Verhältnis der kleinen Ellipsenhalbachse r_Z,y zur Zargenwandstärke t_ZW der Zargenwand 24 in einem Bereich zwischen 0,25 und 2,0. Ein weiteres Ausbilden des elliptischen Übergangs 24 liegt weiter bevorzugt mit einem Verhältnis der kleinen Ellipsenhalbachse r_Z,y zur Zargenwandstärke t_ZW der Zargenwand 24 in einem Bereich von ungefähr 0,5 vor.
Ferner ist bevorzugt ein Ausbilden des Zargenelements 14 mit einem Verhältnis der Zargenkopfhöhe h_ZK der Zargennase 22 zur Länge l_Z,A des Zargenkontaktflächenanschlusses der Zargennase 22 in einem Bereich größer oder gleich 2.
Besonders bevorzugt überschreitet die in Folge Belastung auftretende maximale Kerbspannung im elliptischen Bereich 24 den zulässigen Auslegungswert des Werkstoffes des Zargenelements 14 nicht.
Ferner ist bevorzugt ein Ausbilden des Zargenelements 14, so dass die Zargenwandhöhe h_ZW kleiner oder gleich einer Zargenwandhöhe h_ZW,max ist, bei der eine maximal mögliche radiale Neigung des Zargenelements 14 vorliegt.
Ferner ist erfindungsgemäß bevorzugt ein Versehen des Verschlußdeckels 18 und/oder des Segments 16 und/oder des Zargenelements 14 mit mindestens einer Entlastungskerbe 28.
Außerdem ist ein Versehen des Verschlußdeckels 18 und/oder des Segments 16 und/oder des Zargenelements 14 mit mindestens einer Verrundung 30 an den Kontaktflächenberandungen der Deckel- und/oder Zargenkontaktfläche 12, 10 bevorzugt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Segmentverschluß 1, insbesondere zum Verschließen von Druckbehältern oder unter Druck stehenden Rohren, wobei der Segmentverschluß 1 einen Verschlußdeckel 18, ein Zargenelement 14 und mindestens ein zwischen Verschlußdeckel 18 und Zargenelement 14 angeordnetes Segment 16 aufweist, wobei das Segment 16 in eine Position bewegt werden kann, in der der Segmentverschluss geöffnet ist und in eine Position, in der der Segmentverschluß geschlossen ist und in welcher das Segment 16 mit der Oberseite des Verschlußdeckels 18 eine Deckelkontaktfläche 12 und mit der Unterseite des Zargenelements 14 eine Zargenkontaktfläche 10 bildet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das eine Segment 16, das Zargenelement 14 und der Verschlußdeckel 18 so ausgebildet sind, dass die Deckel- und Zargenkontaktfläche 12, 10 des Segmentverschlusses Flächenschwerpunkte DP_kd, DP_kz aufweisen, deren Abstand zueinander in radialer Richtung ΔR_DP ausreichend klein ist, um eine Segmentkippung zu vermeiden.
Vorzugsweise sind die Flächenschwerpunkte DP_kd, DP_kz in radialer Richtung nahezu deckungsgleich ausgebildet. Ferner sind vorzugsweise die Flächenschwerpunkte DP_kd, DP_kz abhängig von einem Kontaktflächenwinkel Ω_kd und/oder einer Kontaktflächenbreite l_kd der Deckelkontaktfläche 12, bei ansonsten vorgegebener Geometrie der Zargenkontaktfläche 10, in radialer Richtung nahezu deckungsgleich ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Deckel- und Zargenkontaktfläche 12, 10 wahlweise einteilig oder aus mehreren Einzelkontaktflächen A_i,kd/A_i,kz ausgebildet. Die Kontaktflächengeomterie der Deckel- und Zargenkontaktfläche 12, 10 ist bevorzugt durch erhabene Oberflächenbereiche des Verschlußdeckels und/oder des Segments bzw. des Zargenelements und/oder des Segments gestaltet.
Der Verschlussdeckel 18 und das Zargenelement 14 sind bevorzugt so ausgebildet, dass die radiale Neigung der Deckelkontaktfläche Δφ_kd des Verschlußdeckels und die radiale Neigung der Zargenkontaktfläche Δφ_kd des Zargenelements bei einer Verformung des Segmentverschlusses 1 in Folge Belastung annähernd gleich groß sind.
Bevorzugt ist die radiale Neigung der Zargenkontaktfläche Δφ_kz durch eine entsprechende Vordefinition der im wesentlichen folgenden Geometriegrößen des Zargenelements 14 in Kombination einer Zargenwandstärke t_ZW, einer Zargenwandhöhe h_ZW, eines mittleren Zargenwandradius R_ZW, einer Zargenkopfhöhe h_ZK und einer Zargenkopfwandstärke t_ZK ausgebildet.
Bevorzugt ist die radiale Neigung der Deckelkontaktfläche Δφ_kd durch eine entsprechende Vordefinition der im wesentlichen folgenden Geometriegrößen des Verschlußdeckels 18 in Kombination einer Deckeldicke S_D, einem Deckeldurchmesser R_D und einem mittleren Radius R_kd der Deckelkontaktfläche ausgebildet.
Bevorzugt ist die Höhe h_s des Segments 16 so gewählt, dass die Abweichung der radialen Neigungen der unter einer gleichmäßigen Belastung stehenden, verformten Deckelkontaktfläche des Verschlußdeckels Δφ_kd und der unter einer entsprechenden gleichmäßigen Belastung stehenden Zargenkontaktfläche des Zargenelements Δφ_kz gegenüber den entsprechenden Kontaktflächen eines einer entsprechenden gleichmäßigen Belastung ausgesetzten, verformten Segments 16 minimal ist.
Der Übergangsbereich 24 eines Zargenkopfs 20 des Zargenelements 14 ist bevorzugt von einer Zargennase 22 zu einer Zargenwand 24 in einer elliptischen Form ausgebildet.
Der elliptische Übergang 24 ist mit einem Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse r_Z,x zu kleiner Ellipsenhalbachse r_Z,y bevorzugt in einem Bereich größer gleich 1 und kleiner gleich 2 ausgebildet. Weiter bevorzugt ist der elliptische Übergang 24 mit einem Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse r_Z,x zu kleiner Ellipsenhalbachse r_Z,y in einem Bereich von ungefähr 1,3 ausgebildet. Weiter bevorzugt ist der elliptische Übergang 24 mit einem Verhältnis der kleinen Ellipsenhalbachse r_Z,y zur Zargenwandstärke t_ZW der Zargenwand 24 in einem Bereich zwischen 0,25 und 2,0 ausgebildet. Weiter bevorzugt ist der elliptische Übergang 24 mit einem Verhältnis der kleinen Ellipsenhalbachse r_Z,y zur Zargenwandstärke t_ZW der Zargenwand 24 in einem Bereich von ungefähr 0,5 ausgebildet.
Vorzugsweise ist das Zargenelement 14 mit einem Verhältnis der Zargenkopfhöhe h_ZK der Zargennase 22 zur Länge l_Z,A des Zargenkontaktflächenanschlusses der Zargennase 22 in einem Bereich größer oder gleich 2 ausgebildet.
Bei einem erfindungsgemäßen Segmentverschluß hat vorzugsweise außerdem der elliptische Bereich 24 eine dort in Folge Belastung auftretende maximale Kerbspannung, die den zulässigen Auslegungswert des Werkstoffes des Zargenelements 14 nicht überschreitet.
Weiter bevorzugt ist das Zargenelement 14 so ausgebildet, dass die Zargenwandhöhe h_ZW kleiner oder gleich einer Zargenwandhöhe h_ZW,max ist, bei der eine maximal mögliche radiale Neigung des Zargenelements 14 vorliegt.
Vorzugsweise ist der Verschlußdeckel 18 und/oder das Segment 16 und/oder das Zargenelement 14 mit mindestens einer Entlastungskerbe 28 versehen.
Bevorzugt hat der Verschlußdeckel 18 und/oder das Segment 16 und/oder das Zargenelement 14 mindestens eine Verrundung 30 an den Kontaktflächenberandungen der Deckel- und/oder Zargenkontaktfläche 12, 10.
Durch den Gegenstand der Ansprüche wird ein Segmentverschluss (vgl. hierzu unten aufgeführte 3a und 3b) mit folgender Zielsetzung ermöglicht:

– Erzielung eines angepassten Verformungsverhaltens vom Verschlussdeckel, den Segmenten und der Verschlusszarge
– Ermöglichung einer gleichmäßigen Belastung der Deckel- und Zargenkontaktflächen auf den gesamten zur Verfügung stehenden geometrischen Flächen
– Vermeidung lokaler Plastifizierungsbereiche der Deckel- und Zargenkontaktflächen
– Minimierung des Spannungsüberhöhungsfaktors durch verbesserte Formgebung der Kerbe im Übergangsbereich von der Zargenwand zum Zargenkopf

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschreiben.
1 zeigt vergleichend eine Bauausführung eines herkömmlichen Segmentverschlusses als auch eines Bajonettverschlusses.
2 zeigt einen Funktionsvergleich der Funktionsprinzipien zwischen einem Segmentverschluss und einem Bajonettverschluss (Radialschnitt).
3a und 3b zeigen die Geometriegrößen an einem Segmentverschluss in einem Radialschnitt und einer Draufsicht.
4a und 4b zeigen die Geometriegrößen an den Segmenten eines „herkömmlichen" (4a) als auch eines zu optimierenden Segmentverschlusses (4b) in der Draufsicht.
4e zeigt eine Kontaktflächengeometrie in Inselausführung. Die Deckelkontaktfläche wird hierbei durch mehrere Einzelkontaktflächen ausgebildet (z.B. durch erhabene Oberflächenbereiche des Segments bzw. des Deckels) und entsprechend die Zargenkontaktfläche durch mehrere Einzelkontaktflächen (z.B. durch erhabene Oberflächenbereiche des Segments bzw. des Zargenelements). Die Segmentaussenkontur ist in 4c nicht dargestellt.
4d zeigt anhand eines Radialschnitts von 4c beispielsweise eine mögliche Ausbildung der Kontaktflächengeometrie durch erhabene Oberflächenbereiche der Segementunter- und Oberseite.
4e zeigt an einem radialen Segmentschnitt eine ideale Flächenpressungsverteilung der Kontaktflächen sowie den Grenzfall mit dreiecksförmiger Flächenpressungsverteilung.
5a zeigt die Kontaktflächenverhältnisse bei Belastung einer elastischen Ebene mit einem starren Körper bei idealer gleichmäßiger Belastung der Kontaktfläche als auch dem Grenzzustand bei welchem die Kontaktfläche gerade noch vollständig zur Kraftübertragung genutzt wird (Radialschnitt).
5b zeigt für eine verformungsangepasste Verschlussauslegung relevante Verschlussgrößen.
6 zeigt den Zusammenhang der Einzeloptimierungspunkte untereinander inkl. relevanter Geometriegrößen, welche in ihrer Gesamtheit die Gesamtoptimierungsstrategie darstellen.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Optimierungspunkt der Segmenthöhenoptimierung.
8 stellt die Parameterwahl für die Variationsrechnungen zur Kerbfaktorbestimmung dar (Radialschnitt).
In 1 ist eine Bauausführung eines herkömmlichen Segmentverschlusses als auch eines Bajonettverschlusses dargestellt, stellvertretend für die gängigsten Schnellverschlüsse.
Neben dem weit verbreiteten Bajonettverschluss verspricht der Segmentverschluss aufgrund einiger konstruktiver Unterschiede die bessere Verschlussvariante zu sein. Als Hauptvorteile gegenüber dem Bajonettverschluss sind beim Segmentverschluss die niedrigeren Herstellkosten und der konstruktionsbedingt erreichbare höhere Traganteil, mit damit verbundener gleichmäßigerer Krafteinleitung vom Deckel in die Behälterzarge, zu nennen.
Beide Verschlusstypen haben gemeinsam, dass die durch den Innendruck auf den Verschlussdeckel wirkende Kraft über relativ kleine Flächen in die Behälterwand eingeleitet wird, was zu hohen Beanspruchungen an diesen Stellen führt. Aus diesem Grund erscheint es wichtig den Traganteil, d.h. des Verschlusses zu maximieren, um eine möglichst gleichmäßige Krafteinleitung realisieren zu können. Eine Variante des Segmentschnellverschlusses ermöglicht durch eine ausgefeilte Verschlussmechanik Traganteile weit über 80%, wohingegen beim Bajonettverschluss aufgrund des hier vorliegenden Funktionsprinzips die Knaggen und Lücken so gestaltet sein müssen, dass der Traganteil einen Wert von maximal 50% nicht überschreiten kann. Da die Segmente einen großen Umfangswinkelbereich abdecken, ist beim Segmentverschluss außerdem mit einer gleichmäßigeren Kraftübertragung zu rechnen.
Trotz der großen geometrischen Ähnlichkeiten der Systeme Bajonett- und Segmentverschluss liegt ein vollständig unterschiedliches Funktionsprinzip vor wie in den 2, 3a und 3b dargestellt ist. Verglichen mit dem Bajonettverschluss muss die Deckelkraft infolge Betriebsinnendruck des Druckbehälters beim Segmentverschluss 1 zweimal übertragen werden, einerseits zwischen dem Verschlussdeckel 18 und den Segmenten 16 über die Deckelkontaktflächen 12 und andererseits zwischen den Segmenten 16 und der Verschlusszarge 14 über die Zargenkontaktflächen 10. Beim Segmentverschluss 1 dienen gleichmäßig über den Umfang verteilte Segmente 16 der Kraftübertragung, wohingegen beim Bajonettverschluss eine direkte formschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktflächen des Verschlussdeckels und der Verschlusszarge vorliegt.
Wie Untersuchungen an Bajonettverschlüssen zeigten, ist der komplexe Beanspruchungs- und Verformungszustand an einem Schnellverschluss mit einer vereinfachten Modellbildung, wie er bei der praktizierten Auslegungsmethode verwendet wird, nicht hinreichend genau erfassbar. Somit kann die Unkenntnis des Einflusses einzelner Geometrieparameter auf den Beanspruchungs- und Verformungszustand bei einer herkömmlichen, vermeintlich konservativen Auslegung zu unerwünschten Effekten wie dem Auftreten von lebensdauermindernden Spannungsspitzen und Plastifizierungen in lastübertragenden Bauteilbereichen führen. Im schlimmsten Fall kann dies zur Unbrauchbarkeit oder einem Versagen des Verschlusses führen.
Durch Kombination dreier wesentlicher Optimierungspunkte, zum einen

1.) der geometrischen Kontaktflächengestaltung,
2.) zum anderen einer Verformungsanpassung des Gesamtsystems bestehend aus Deckel, Segmenten und Zarge und
3.) der Kerbspannungsoptimierung

1. Kontaktflächenoptimierung
Durch Modifikation der Deckel- und Zargenkontaktflächen 12, 10 hinsichtlich ihrer konstruktiven Gestaltung nach Größe und relativen Lage zueinander, kann das globale Momentengleichgewicht ohne globale Segmentkippung erreicht werden.
In 4a sind die maßgeblichen Größen eines „herkömmlichen" Segments mit den zugehörigen Deckel- und Zargenkontaktflächen 12, 10 für die zu optimierende Kontaktflächengeometrie dargestellt.
Bei der „herkömmlichen" Segmentverschlussherstellung werden die Segmente zwecks rationeller Fertigung aus einem Kreisring herausgetrennt. Im wesentlichen ergibt sich, abgesehen von eventuell erforderlichen Führungsausnehmungen für die Öffnungs- und Schließbewegung im Bereich der deckelseitigen Kontaktfläche am Segment für solche Segmente in Verbindung mit dem Verschlussdeckel und der Verschlusszarge die in 4a gezeigte Deckelkontaktfläche 12 und Zargenkontaktfläche 10. Die Deckel- sowie die Zargenkontaktfläche erstrecken sich über ihren Umfang über denselben Winkelbereich Ω_kd = Ω_kz. Hierbei ergeben sich die wirksamen Kontaktflächenbegrenzungsradien wie aus 3a und 3b ersichtlich. Der Innen- und Außenradius der Verschlussdeckelkontaktfläche R_kd,i, R_kd,a entspricht dem Segmentinnenradius R_S,i bzw. dem Verschlussdeckelaussenradius R_D unter zusätzlicher Berücksichtigung evtl. vorhandener Kontaktflächenrundungsradien r_k _o (s.a. vergrößerte Detailansicht in 3a). Der Innen- und Außenradius R_kz,i, R_kz,a der Zargenkontaktfläche entspricht analog dem Verschlusszargeninnenradius R_Z,i bzw. dem Segmentaußenradius R_S,a unter zusätzlicher Berücksichtigung evtl. vorhandener Kontaktflächenrundungsradien r_k _o.
Das Optimierungsziel besteht nun darin, die Flächenschwerpunkte beider Kontaktflächenpaare 10, 12, d.h. die Kraftresultierenden der belasteten Kontaktflächen (Druckpunkte DP) in Deckung zu bringen, um dadurch ein globales Kippmoment auf das Segment 16 zu vermeiden. Dieses Optimierungsziel wird im folgenden mit dem Begriff der Druckpunktoptimierung beschrieben.
Es lässt sich bei gegebenen Geometriegrößen der Zargenkontaktfläche 10 durch Verringerung des Kontaktflächenwinkels der Deckelkontaktfläche Ω_kd in Kombination mit entsprechender Gestaltung der Kontaktflächenbreite der Deckelkontaktfläche l_kd erreichen (vgl. 4b).
Zweckmäßigerweise wird die Geometrie der Zargenkontaktfläche 10 unter Einhaltung der Funktionsrandbedingung, d.h. das Einfahren der Segmente 16 innerhalb der Deckelkontur muss möglich sein, und der Einhaltung der max. zulässigen Flächenpressung der Kontaktpaarung Segment/Zarge 16, 14 der Zargenkontaktfläche 10 mit maximal möglichem Traganteil gewählt und die Deckelkontaktfläche 12 im folgenden unter Einhaltung der maximal zulässigen Pressungswerte der Kontaktpaarung Segment/Deckel 16, 18 angepasst.
Das Optimierungsziel der Druckpunktoptimierung lautet hiermit:
ΔR_DP = R_DP,kz – R_DP,kd = 0 Differenz der Druckpunktlage der Zargenkontaktfläche zur Druckpunktlage der Deckelkontaktfläche
Zum Erreichen des Optimierungsziels können die Kontaktflächen 10, 12 konstruktiv durch Absetzung nicht „benötigter" Kontaktflächenbereiche der Deckel-/ Segment-/ Zargenkontaktflächen gestaltet werden (vgl. 4d), „genutzte" Bereiche stehen erhaben hervor und werden infolge ausschließlich zur Kraftübertragung herangezogen. Beispielsweise kann eine Gestaltung der Kontaktflächengeometrie entsprechend 4b erfolgen. Hierbei wurde der Winkelbereich Ω_kd der Deckelkontaktfläche 12 kleiner gestaltet als der Winkelbereich Ω_kz der Zargenkontaktfläche 10. Die Deckel- als auch die Zargenkontaktfläche kann einteilig ausgeführt werden (vgl. 4b). Eine Aufteilung der Deckel- und Zargenkontaktfläche in mehrere Inseln (mehrteilige Gestaltung der Kontaktflächen), welche ebenfalls das o.g. Optimierungsziel erfüllen ist ebenfalls möglich (vgl. 4c).
Im folgenden wird ausgehend vom druckpunktoptimierten Idealzustand mit ΔR_DP = 0 ein zulässiger Abstandsbereich für die Schwerpunkte der Deckel- und Zargenkontaktfläche ermittelt, innerhalb welchem ein vollständiges Tragenverhalten mit 100% Traganteil der Kontaktflächen gewährleistet ist.
Der Abstand, welcher zwischen den Flächenschwerpunkten der Deckel- und der Zargenkontaktfläche einer Kontaktflächenkonfiguration entsprechend den 4a, 4b und 4e besteht, berechnet sich mit den mittleren Radien der Deckel- und Zargenkontaktfläche Rf,kd =(Rkd,i + Rkd,a)/2 = Rkd,i + lkd/2 Rf,kz = (Rkz,i + Rkz,a)/2 = Rkz,i + lkz/2sowie den hieraus resultierenden Druckpunktradien

zu ΔRDP = RDP,kz – RDP,kd
Beim Idealfall einer druckpunktoptimierten Verschlussgeometrie kommen die Flächenschwerpunkte der Deckel- und der Zargenkontaktfläche in radialer Richtung deckungsgleich übereinander zu liegen (ΔR_DP, _opt = R_DP,kz – R_DP,kd = 0).
sZur Abschätzung eines zulässigen Schwerpunktabstands ausgehend vom Idealfall der druckpunktoptimierten Verschlussgeometrie wird im folgenden angenommen, dass sich 1 die Flächenpressungsverteilung der Kontaktflächen vom idealen gleichmäßigen, in radialer Richtung rechteckförmigen Belastungszustand (welcher bei ΔR_DP,opt = 0 vorliegt) maximal bis hin zum Zustand mit vorliegender Dreiecksverteilung in radialer Richtung infolge einer leichten Segmentneigung verschieben darf (vgl. 4e), wobei hierbei gerade noch der Grenzzustand mit vollständigem Tragverhalten und 100% Traganteil der Deckel- und Zargenkontaktfläche vorliegt und die Resultierenden einer solchen dreiecksförmigen Grenzbelastungsverteilung der Deckel- und Zargenkontaktfläche in radialer Richtung deckungsgleich übereinander zu liegen kommen. Die Kraftangriffsradien der Kraftresultierenden der Deckel- und der Zargenkontaktfläche betragen für diesem Grenzfall: Rf,kd|grenz = Rkd,i + 2/3 lkd Rf,kz|grenz = Rkz,i + 2/3 lkz sowie den hieraus resultierenden Druckpunktradien
Somit ergibt sich eine zulässige Abweichung der Flächenschwerpunkte ΔR_DP _, _zulässig vom druckpunktoptimierten Zustand (ΔR_DP,opt = R_D _P,kz – R_DP,kd = 0 ) als der Grenzzustand, bei welchem gerade noch eine vollständiges Tragverhalten der Kontaktflächen vorliegt, zu:
mit l_kd,l_k _z [mm]: Kontaktflächenbreite der Deckel-/Zargenkontaktfläche
und α_kd,α_kz [rad]: Halber Umfangserstreckungswinkel der Deckel-/ Zargenkontaktfläche
Bei einer Kontaktflächenkonfiguration entsprechend den 4a und 4b ist somit für eine Kontaktflächengestaltung im Optimalfall ΔR_DP = 0 anzustreben, jedoch kann eine Abweichung von 0 < ΔR_D _P ≤ ΔR_D _P Zulässig zugelassen werden innerhalb derer noch ein vollständiges Tragverhalten vorliegt.
Um auch beim Vorliegen beliebiger anderer Kontaktflächenkonfigurationen vgl. z.B. 4c (die Kontaktflächen bestehen hier aus mehreren nicht zusammenhängenden Einzelkontaktflächen in Inselanordnung und zwar die Deckelkontaktfläche aus den Einzelkontaktflächen A_i, _kd und die Zargenkontaktfläche aus den Einzelkontaktflächen A_i,kz) einen zulässigen Schwerpunktsabstand ΔR_D _P _,zulässig entsprechend obiger Bestimmungsgleichung bestimmen zu können, kann die jeweilige Kontaktflächenkonfiguration als eine Konfiguration mit einer zusammenhängenden einteiligen Ersatz Deckel/- und Zargenkontaktfläche entsprechend 4c mit konstanten mittleren Kontaktflächenbreiten l_kd,l_kz und den Kontaktflächenwinkeln α_kd,α_kz , wobei diese Ersatz Deckel/- und Zargenkontaktfläche dieselben Schwerpunktlagen R_DP,kd sowie R_D _P _kz und Gesamtflächen
sowie
wie die vorliegende inselförmige Deckel- und Zargenkontaktflächenkonfiguration aufweisen, idealisiert werden.
2. Verformungsoptimierung
Durch Segmenthöhenvariation kann nun ein Punkt bester Verformungsanpassung von Deckel-, Segment- und Zargenkontaktflächen gefunden werden (s.a. 5b, 6). In diesem Punkt weisen die Kontaktflächenpaarungen der Segment- und Zargenkontaktflächen eine minimale mittlere Winkelabweichung in radialer Richtung zueinander auf, d.h. ein bestmögliches Tragverhalten liegt hier vor.
Um ein möglichst gleichmäßiges Tragverhalten der Deckel- und Zargenkontaktflächen des Verschlusses zu erzielen, müssen die Verformungen denen die Kontaktflächenpaare 10, 12 unterliegen, angeglichen sein.
Zum grundlegenden Verständnis der Verformungsanpassung ist in 5a ein starrer Stempel auf einer elastischen Ebene dargestellt. Mit einer gleichmäßigen Pressungsverteilung p beaufschlagt erfährt der Stempel keine Neigung. Wird der Stempel von dieser Stellung aus um dem Winkel Δφ geneigt, so wird beim Grenzwinkel φ_Δ gerade der Grenzzustand erreicht, bei welchem die Kontaktfläche gerade noch vollständig ausgenutzt wird. Bei größeren Neigungswinkeln des starren Stempels trägt die Kontaktfläche nicht mehr vollständig, die druckentlastete Seite beginnt abzuheben, d.h. der Traganteil ändert sich von 100% weg zu geringeren Werten. Mit dem E-Modul der Ebene und der Querkontraktionszahl ν = 0,3 ergibt sich für den Grenzwinkel φ_Δ näherungsweise: φΔ = 0,5arctan(3,15 p/E)wobei p der mittleren bzw. einer „optimalen", gleichmäßigen Kontaktflächenpressung entspricht.
Zum Erreichen des Optimierungsziels für eine verformungsangepasste Auslegung der Zargen- gegenüber der Deckelgeometrie darf die sich einstellende Winkeldifferenz zwischen der Zargen- und Deckelkontaktfläche infolge Betriebsbelastung des Verschlusses, getrennte Berechnung der Zargen bzw. der Deckelverformung vorausgesetzt, einen vordefinierten zulässigen Wert Δφ_zul nicht überschreiten, mit Δφ_zul = Min{Δφ_zul,kd, Δφ_zul,kz}, wobei
in [rad] und
in [rad] um eine vollständige Ausnutzung der Kontaktflächen zu gewährleisten. Hierbei entsprechen p _kd [N/mm²] und p _kz [N/mm²] einer mittleren bzw. einer „optimalen", gleichmäßigen (Auslegungs-) Kontaktflächenpressung der Deckel- und Zargenkontaktfläche, wobei sich diese aus der Deckelkraft infolge Betriebsinnendruck des zu verschließenden Behälters bezogen auf die gesamte geometrisch zur Verfügung stehende Deckel- bzw. Zargenkontaktfläche berechnet, sowie E [N/mm²] dem E-Modul des Verschlußmaterials. Die Winkeldifferenz Δφ zwischen der Deckel- und Zargenkontaktfläche sollte somit im Bereich 0 ≤ Δφ ≤ Δφ_zul liegen und im Idealfall verschwinden ( Δφ = 0 ).
Da der reale Verformungs- und Spannungszustand der Verschlusskomponenten sehr komplex ist und nur mittels der Methode der Finiten-Elemente annähernd erfasst werden kann, muss er für eine Zugänglichkeit in Form einer analytischen Berechnungsmethode vereinfacht und die einzelnen Verschlusskomponenten zu deren Berechnung und Auslegung entkoppelt werden. Zur Entkoppelung werden die Verschlusskomponenten, völlig getrennt voneinander, mit einer gleichmäßigen, idealen Pressungsverteilung p _kd und p _kz an den Kontaktflächen beaufschlagt und mit analytischen allgemein bekannten mathematischen Berechnungsmethoden der technischen Mechanik berechnet wie sie z.B. aus Merkl, E., Beanspruchungsanalyse, Optimierung und Auslegung von Bajonettverschlüssen, Dissertation, TU-München, 1998 entnommen werden kann. Die so berechneten resultierenden Verformungen am Ort der Kontaktflächen lassen sich in eine radiale und tangentiale Komponente aufspalten. Da die tangentiale Verformungskomponente, infolge des hohen Traganteils um Größenordnungen kleiner ist als die radiale Verformungskomponente, wird lediglich die maßgebliche Radialkomponente Δφ, d.h. die radiale Neigung der Kontaktflächen für die Berechnung der Verformungsanpassung herangezogen.
Im folgenden wird unter globaler Verformungsanpassung (6) eine Methode der bestmöglichen Verformungsangleichung der Verschlusskomponenten Verschlussdeckel, Segmenten und Verschlusszarge verstanden. Die globale Verformungsanpassung erfolgt hierbei in zwei Schritten.
1. Schritt: Verformungsanpassung der Deckel- und Zargenkontaktflächen zueinander
Eine Methode zur Verformungsoptimierung der Deckel- und Zargenknaggenkontaktflächen zueinander wurde in Merkl, E., Beanspruchungsanalyse, Optimierung und Auslegung von Bajonettverschlüssen, Dissertation, TU-München, 1998 für den Bajonettverschluss gefunden und dargestellt. Diese Vorgehensweise ist infolge ähnlicher Verschlussgeometrie des Deckels und der Verschlusszarge eines Segmentverschlusses auf dessen verformungsangepasste Ausführung der Deckel- und Zargenkontaktflächen zueinander direkt anwendbar. Die gewonnenen Ergebnisse aus den Untersuchungen am Bajonettverschluss können wie folgt zusammengefasst werden:
Zur Steuerung des Verformungsverhaltens des Deckels und der Zarge können die maßgeblichen Geometrieparameter in gewissen konstruktiv vorgegebenen Grenzen entsprechend 6 gewählt werden.
Deckelverformung
In den meisten Anwendungsfällen ist die Nachgiebigkeit des Verschlussdeckels – eine Auslegung nach AD-Merkblatt B5 vorausgesetzt – größer als diejenige der Verschlusszarge. Um im Zuge einer verformungsangepassten Auslegung möglichst gleiche Nachgiebigkeiten zu erzielen, kann zur Versteifung des Verschlussdeckels (s.a. 3a) sowohl eine Vergrößerung der gesamten Deckeldicke als auch nur des Deckelinnenbereichs r < R_i unter gleichzeitiger Einsparung von Bauraum erfolgen. Der mittlere Kontaktflächenradius der Deckelkontaktflächen sollte möglichst klein ausgeführt werden; eine konstruktive Begrenzung erfolgt hierbei durch die Ausführung des Dichtungssystems.
Zargenverformung
Die Zargenverformung ist im wesentlichen entsprechend von 5 Parametern abhängig (3a und 5b) und zwar von der Zargenwandstärke t_ZW und -höhe h_ZW sowie dem mittleren Zargenwandradius R_ZW als auch der gesamten Zargenkopfwandstärke t_ZK und Zargenkopfhöhe h_Z (s.a. Merkt, E., Beanspruchungsanalyse, Optimierung und Auslegung von Bajonettverschlüssen, Dissertation, TU-München, 1998). Erhöht man die Zargenwandhöhe kontinuierlich, so liegt bei einer Zargenwandhöhe h_ZW _,max eine maximale radiale Zargenkopfneigung vor, d.h. der Störeinflussbereich des Zargenkopfs ist bei dieser Wandhöhe gerade abgeklungen. Die Zargenparameter sollten im Hinblick auf eine Minimierung der Zargenkerbspannung in gewissen sinnvollen Grenzen (siehe Spannungsoptimierung) variiert werden. Durch Vorgabe eines gewünschten Kerbübergangs mittels der Verhältnisgrößen r_Z,x/r_Z,y, r_Z,y/t_ZW und h_ZK/t_ZW sowie einer max. zulässigen Spannung im Kerbbereich, ist die Geometrie der Zarge fast vollständig bestimmt. Es bleibt lediglich die Zargenwandhöhe h_ZW als frei wählbare Zargengeometriegröße zur Einstellung der Zargenverformung, wobei ihr verformungswirksamer Bereich durch die maximal erreichbare Zargenverformung bei einer Zargenwandhöhe h_ZW, _max nach oben hin begrenzt wird. Die Zargenwandhöhe kann auch größer als diejenige Zargenwandhöhe gewählt werden bei der eine maximale Zargennachgiebigkeit vorliegt h_ZW ≥ h_ZW,max, jedoch bleibt die Nachgiebigkeit der Verschlußzarge in diesem Bereich wie oben beschrieben konstant.
Durch eine entsprechende Wahl der Steuerungsparameter (5b) unter Einhaltung geometrischer und werkstoffspezifischer Grenzen, lässt sich eine bestmögliche Verformungsanpassung der Zargen- und Deckelkontaktflächen zueinander erzielen.
Solch eine verformungsangepasste Verschlusszargen und -deckelauslegung ist die Voraussetzung für die folgende Feinanpassung der Segmentverformung im zweiten Schritt, um ein möglichst gleichmäßiges globales Pressungsverhalten der Kontaktflächenpaare 10, 12 zu ermöglichen.
2. Schritt: Verformungsanpassung der Segmentkontaktflächen an die wie in Schritt 1 beschriebene bereits verformungsangepasste Deckel- und Zargenausführung
Verformungsanpassung der Segmente
Um ein möglichst optimales Tragverhalten, d.h. gleichmäßige und vollständige Ausnutzung der Kontaktflächen der Verschlusskomponenten zu erzielen, muss die Segmentverformung der nun bekannten Verformung des Deckels und des Zargenkopfs im belasteten Zustand angepasst werden. Da die Segmentgeometrieparameter wie Innen- und Außendurchmesser, Segmentwinkel sowie Segmentanzahl u.a. vom zulässigen Werkstoffkennwert der Segmente abhängen, bleibt als zu variierende Größe die Segmenthöhe h_s (3a, 5b). Durch eine Verringerung der Segmenthöhe resultiert ein weicheres Segment mit damit einhergehendem größeren Verformungsvermögen und vice versa bei einer Vergrößerung der Segmenthöhe. Die Segmenthöhe wird nach unten festigkeitsmäßig durch den zulässigen Werkstoffkennwert des Segments begrenzt und nach oben durch konstruktive (verfügbarer Bauraum) als auch durch wirtschaftliche Randbedingungen (Kosten, Materialbedarf).
Durch Segmenthöhenvariationsrechungen konnte gezeigt werden:

– Es existiert eine Segmenthöhe h_S,opt, bei welcher sich das beste Tragverhalten unter Ausbildung einer bestmöglichen, gleichmäßigen Pressungsverteilung in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung auf den gesamten geometrisch vorgegebenen Kontaktflächen einstellt.
– Bei kleineren Segmenthöhen als h_S _, _opt verschieben sich die rechteckförmigen radialen Kontaktpressungsverteilungen hin zu trapezförmigeren Verläufen mit Maxima am Innenradius der Zargen- und Deckelkontaktfläche.
– Bei größeren Segmenthöhen als h_S,opt zeigt sich eine gegenläufige Tendenz, die rechteckförmigen radialen Kontaktpressungsverteilungen verlagern sich hin zu trapezförmigeren Verläufen mit Maxima am Außenradius der Zargen- und Deckelkontaktfläche

Im folgenden wird die Optimierungsstrategie für die verformungsangepasste Segmentauslegung beschrieben. Zum grundlegenden Verständnis wird vorab auf die sich einstellende Segmentbewegung näher eingegangen.
Infolge des Behälterinnendrucks stellt sich eine radiale Neigung der Deckel- bzw. Zargenkontaktflächen ein. Da das Segment zwischen diesen Kontaktflächen liegt wird es zwangsweise mit dieser Bewegung mitgeführt und unterliegt gleichzeitig der Segmentverformung entsprechend der vorliegenden Kontaktflächenbelastungen.
Die gesamte Segmentverformung kann somit in eine reine Starrkörperbewegung – definiert als die radiale Segmentneigung des Segmentquerschnitts in seiner Segmentsymmetrieebene um den Winkel β_sym – und überlagert in eine sich einstellende Segmentverformung φ, und zwar ausschließlich infolge der aufgebrachten Segmentbelastung, aufgeteilt werden.
Mit den Ergebnissen der Segementberechnung mittels des analytischen Segmentberechnungsmodells wird der radiale Segmentverdrehwinkel über den Umfang berechnet φ_ges – β_Sym + φ. Sollen die Kontaktflächenpartner ein optimales Tragverhalten aufweisen muß für die unabhängig voneinander berechneten Verschlusskomponenten Verschlussdeckel/-zarge und Segmenten gelten:

1. Der Kontakt der Kontaktflächenmittenlinien der unter Last verformten Kontaktflächen der Verschlusskomponenten muss gewährleistet sein
2. Eine möglichst geringe radiale Winkeldifferenz der Kontaktflächenpartner muss vorliegen

Punkt 1 kann durch Vorgabe einer mittleren Segmentneigung β_sym näherungsweise erfüllt
Punkt 2 kann im Anschluss durch Anpassung der Segmenthöhe bis ein Minimum für die radiale Winkeldifferenz der Kontaktflächenpartner vorliegt eingehalten werden.
Praktikabel erscheint im Hinblick auf eine möglichst einfache Implementierung in einem Rechenprogramm die im folgenden beschriebene Vorgehensweise entsprechend 7.
Um die Segmenthöhe zu bestimmen, bei welcher die bestmögliche Übereinstimmung der Kontaktflächen vorliegt, wird die Segmenthöhe beginnend von einem Startwert in Intervallen erhöht und folgende Berechnungen durchgeführt:

– Entsprechend der gesamten Segmentverformung wird für die zu berechnende Segmenthöhe ein mittlerer Segmentneigungswinkel
unter bestmöglicher Einhaltung der Auflagebedingung über den Segmentumfangswinkel bestimmt. Die Segmentverschiebung infolge Belastung entspricht hierbei genau der Verschiebung infolge einer reinen Starrkörperdrehung des Segments um den Winkel
– Wird das Segment im folgenden einer Starrkörperdrehung um diesen Winkel
unterzogen, stellt die Abweichung der radialen Kontaktflächenneigungen ein Maß für die Verformungsanpassung der jeweiligen Kontaktflächenpaare dar.

Wird nun bei einer Segmenthöhe h_S _, _opt ein Minimum der Winkelabweichungen der Deckel- und Zargenkontaktflächen festgestellt, so entspricht diese Segmenthöhe der gesuchten für ein bestmögliches Tragverhalten.
3. Kerbspannungsoptimierung
Die Spannungserhöhung im Kerbgrund der Zarge sollte hinsichtlich möglichst geringer negativer Auswirkung auf die Ermüdungslebensdauer minimiert werden. Hierbei hat sich eine technisch relativ einfach herstellbare, elliptische Ausführung des Übergangs von der Zargenwand zum Zargenkopf bewährt. Durch Parametervariationen wurden am FE-Modell sinnvolle, in der Praxis anwendbare Parameterkombinationen mit minimalem Kerbfaktor ermittelt (8). Der Rotationseinfluss wurde in die Berechnung miteinbezogen. Folgende Vorschlagswerte können als Anhaltswerte für eine spannungsoptimierte Verschlusszargenauslegung dienen:
r_Z _, _x/r_Z _, _y ≈ 1,3 Verhältnis der großen zur kleinen Ellipsenhalbachse
r_Z _,y/t_ZW = 0,5 Verhältnis der kleinen Ellipsenhalbachse zur Zargenwandstärke
h_ZK/t_ZW ≥ 1,0 Verhältnis der Zargenkopfhöhe zur Zargenwandstärke
h_ZK/l_Z _,A ≥ 2,0 Verhältnis der Zargenkopfhöhe zur Länge des Zargenkontaktflächen-anschluss
Allgemeine Auslegungskriterien
Die Kombination der obigen Optimierungspunkte bildet in Ihrer Gesamtheit den Kern des Auslegungsalgorithmus wie er in einem hybriden Rechenmodell implementiert wurde.
Diese Optimierungsstrategie wurde in ein neu entwickeltes Rechenprogramm zur Segmentverschlußauslegung integriert um dem Konstrukteur in der Praxis eine beanspruchungs- und verformungsgerechte konstruktive Gestaltung von Segmentverschlüssen mit optimiertem Tragverhalten zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zur Ausbildung eines Segmentverschlusses (1), insbesondere zum Verschließen von Druckbehältern oder unter Druck stehenden Rohren, wobei der Segmentverschluß (1) einen Verschlußdeckel (18), ein Zargenelement (14) und mindestens ein zwischen Verschlußdeckel (18) und Zargenelement (14) angeordnetes Segment (16) aufweist, wobei das Segment (16) in eine Position bewegt werden kann, in der der Segmentverschluß geöffnet ist und in eine Position, in der der Segmentverschluß geschlossen ist und in welcher das Segment (16) mit der Oberseite des Verschlußdeckels (18) eine Deckelkontaktfläche (12) und mit der Unterseite des Zargenelements (14) eine Zargenkontaktfläche (10) bildet, gekennzeichnet durch Ausbilden des mindestens einen des Segments (16), des Zargenelements (14) und des Verschlußdeckels (18), so daß der Abstand zwischen den Flächenschwerpunkten (DP_kd, DP_kz) der Deckel- und Zargenkontaktfläche (12, 10) in radialer Richtung (ΔR_DP) möglichst klein ist, um ein an dem Segment (16) angreifendes Kippmoment zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenschwerpunkte (DP_kd, DP_kz) in radialer Richtung nahezu deckungsgleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenschwerpunkte (DP_kd, DP_kz) abhängig von einem Kontaktflächenwinkel (Ω_kd) und/oder einer Kontaktflächenbreite (l_kd) der Deckelkontaktfläche (12), bei ansonsten vorgegebener Geometrie der Zargenkontakfläche (10), in radialer Richtung nahezu zur Deckung gebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch, Ausbilden der Deckel- und Zargenkontaktfläche (12, 10) wahlweise einteilig oder bestehend aus mehreren Einzelkontaktflächen (A_i,kd/A_i,kz).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch, eine Gestaltung der Kontaktflächengeometrie der Deckel- und Zargenkontaktfläche (12, 10) durch erhabene Oberflächenbereiche des Verschlußdeckels und/oder des Segments bzw. des Zargenelements und/oder des Segments.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch, Ausbilden des Verschlußdeckels (18) und des Zargenelements (14), so dass die radiale Neigung der Deckelkontaktfläche (Δφ_kd) des Verschlußdeckels und die radiale Neigung der Zargenkontaktfläche (Δφ_kz) des Zargenelements bei einer Verformung des Segmentverschlusses (1) in Folge Belastung annähernd gleich groß sind.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch, Anpassen der radialen Neigung der Zargenkontaktfläche (Δφ_kz) durch eine entsprechende Vordefinition der im wesentlichen folgenden Geometriegrößen des Zargenelements (14) in Kombination: einer Zargenwandstärke (t_ZW), einer Zargenwandhöhe (h_ZW), eines mittleren Zargenwandradius (R_ZW), einer Zargenkopfhöhe (h_ZK) und einer Zargenkopfwandstärke (t_ZK).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch, Anpassen der radialen Neigung der Deckelkontaktfläche (Δφ_kd) durch eine entsprechende Vordefinition der im wesentlichen folgenden Geometriegrößen des Verschlußdeckels (18) in Kombination: einer Deckeldicke (S_D), einem Deckeldurchmesser (R_D) und einem mittleren Radius (R_kd) der Deckelkontaktfläche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch, Anpassen der Höhe (h_s) des Segments (16), so dass die Abweichung der radialen Neigungen der unter einer gleichmäßigen Belastung stehenden, verformten Deckelkontaktfläche (Δφ_kd) des Verschlußdeckels (18) und der unter einer entsprechenden gleichmäßigen Belastung stehenden Zargenkontaktfläche (Δφ_kz) des Zargenelements (14) gegenüber den entsprechenden Kontaktflächen eines einer entsprechenden gleichmässigen Belastung ausgesetzten, verformten Segments (16) minimal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch, elliptisches Ausbilden des Übergangsbereichs (24) eines Zargenkopfs (20) des Zargenelements (14) von einer Zargennase (22) zu einer Zargenwand (24).
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch, Ausbilden des elliptischen Übergangs (24) mit einem Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse (r_Z,x) zu kleiner Ellipsenhalbachse (r_Z,y) in einem Bereich größer gleich 1 und kleiner gleich 2.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch, Ausbilden des elliptischen Übergangs (24) mit einem Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse (r_Z,x) zu kleiner Ellipsenhalbachse (r_Z,y) in einem Bereich von ungefähr 1,3.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch, Ausbilden des elliptischen Übergangs (24) mit einem Verhältnis der kleinen Ellipsenhalbachse (r_Z,y) zur Zargenwandstärke (t_ZW) der Zargenwand (24) in einem Bereich zwischen 0,25 und 2,0.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch, Ausbilden des elliptischen Übergangs (24) mit einem Verhältnis der kleinen Ellipsenhalbachse (r_Z,y) zur Zargenwandstärke (t_ZW) der Zargenwand (24) in einem Bereich von ungefähr 0,5.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch, Ausbilden des Zargenelements (14) mit einem Verhältnis der Zargenkopfhöhe (h_ZK) der Zargennase (22) zur Länge (l_Z,A) des Zargenkontaktflächenanschlusses der Zargennase (22) in einem Bereich größer oder gleich 2.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die in Folge Belastung auftretende maximale Kerbspannung im elliptischen Bereich (24) den zulässigen Auslegungswert des Werkstoffes des Zargenelements (14) nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch, Ausbilden des Zargenelements (14), so dass die Zargenwandhöhe (h_ZW) kleiner oder gleich einer Zargenwandhöhe (h_ZW,max) ist, bei der eine maximal mögliche radiale Neigung des Zargenelements (14) vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch, Versehen des Verschlußdeckels (18) und/oder des Segments (16) und/oder des Zargenelements (14) mit mindestens einer Entlastungskerbe (28).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch, Versehen des Verschlußdeckels (18) und/oder des Segments (16) und/oder des Zargenelements (14) mit mindestens einer Verrundung (30) an den Kontaktflächenberandungen der Deckel- und/oder Zargenkontaktfläche (10, 12).
Segmentverschluß insbesondere zum Verschließen von Druckbehältern oder unter Druck stehenden Rohren, wobei der Segmentverschluß (1) einen Verschlußdeckel (18), ein Zargenelement (14) und mindestens ein zwischen Verschlußdeckel (18) und Zargenelement (14) angeordnetes Segment (16) aufweist, wobei das Segment (16) in eine Position bewegt werden kann, in der der Segmentverschluss geöffnet ist und in eine Position, in der der Segmentverschluß geschlossen ist und in welcher das Segment (16) mit der Oberseite des Verschlußdeckels (18) eine Deckelkontaktfläche (12) und mit der Unterseite des Zargenelements (14) eine Zargenkontaktfläche (10) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das eine Segment (16), das Zargenelement (14) und der Verschlußdeckel (18) so ausgebildet sind, dass die Deckel- und Zargenkontaktfläche (12, 10) des Segmentverschlusses Flächenschwerpunkte (DP_kd, DP_kz) aufweisen, deren Abstand zueinander in radialer Richtung (ΔR_DP) ausreichend klein ist, um eine Segmentkippung zu vermeiden.
Segmentverschluß nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenschwerpunkte (DP_kd, DP_kz) in radialer Richtung nahezu deckungsgleich ausgebildet sind.
Segmentverschluß nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenschwerpunkte (DP_kd, DP_kz) abhängig von einem Kontaktflächenwinkel (Ω_kd) und/oder einer Kontaktflächenbreite (l_kd) der Deckelkontaktfläche (12), bei ansonsten vorgegebener Geometrie der Zargenkontaktfläche (10), in radialer Richtung nahezu deckungsgleich ausgebildet sind.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel- und Zargenkontaktfläche (12, 10) wahlweise einteilig oder aus mehreren Einzelkontaktflächen (A_i,kd/A_i,kz) ausgebildet sind.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächengeomterie der Deckel- und Zargenkontaktfläche (12, 10) durch erhabene Oberflächenbereiche des Verschlußdeckels und/oder des Segments bzw. des Zargenelements und/oder des Segments gestaltet ist.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussdeckel (18) und das Zargenelement (14) so ausgebildet sind, dass die radiale Neigung der Deckelkontaktfläche (Δφ_kd) des Verschlußdeckels und die radiale Neigung der Zargenkontaktfläche (Δφ_kz) des Zargenelements bei einer Verformung des Segmentverschlusses (1) in Folge Belastung annähernd gleich groß sind.
Segmentverschluß nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Neigung der Zargenkontaktfläche (Δφ_kz) durch eine entsprechende Vordefinition der im wesentlichen folgenden Geometriegrößen des Zargenelements (14) in Kombination: einer Zargenwandstärke (t_ZW), einer Zargenwandhöhe (h_ZW), eines mittleren Zargenwandradius (R_ZW), einer Zargenkopfhöhe (h_ZK) und einer Zargenkopfwandstärke (t_ZK) ausgebildet ist.
Segmentverschluß nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Neigung der Deckelkontaktfläche (Δφ_kd) durch eine entsprechende Vordefinition der im wesentlichen folgenden Geometriegrößen des Verschlußdeckels (18) in Kombination: einer Deckeldicke (S_D), einem Deckeldurchmesser (R_D) und einem mittleren Radius (R_kd) der Deckelkontaktfläche ausgebildet ist.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h_s) des Segments (16) so gewählt ist, dass die Abweichung der radialen Neigungen der unter einer gleichmäßigen Belastung stehenden, verformten Deckelkontaktfläche des Verschlußdeckels (Δφ_kd) und der unter einer entsprechenden gleichmäßigen Belastung stehenden Zargenkontaktfläche des Zargenelements (Δφ_kz) gegenüber den entsprechenden Kontaktflächen eines einer entsprechenden gleichmäßigen Belastung ausgesetzten, verformten Segments (16) minimal ist.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (24) eines Zargenkopfs (20) des Zargenelements (14) von einer Zargennase (22) zu einer Zargenwand (24) in einer elliptischen Form ausgebildet ist.
Segmentverschluß nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der elliptische Übergang (24) mit einem Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse (r_Z,x) zu kleiner Ellipsenhalbachse (r_Z,y) in einem Bereich größer gleich 1 und kleiner gleich 2 ausgebildet ist.
Segmentverschluß nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der elliptische Übergang (24) mit einem Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse (r_Z,x) zu kleiner Ellipsenhalbachse (r_Z,y) in einem Bereich von ungefähr 1,3 ausgebildet ist.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der elliptische Übergang (24) mit einem Verhältnis der kleinen Ellipsenhalbachse (r_Z,y) zur Zargenwandstärke (t_ZW) der Zargenwand (24) in einem Bereich zwischen 0,25 und 2,0 ausgebildet ist.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der elliptische Übergang (24) mit einem Verhältnis der kleinen Ellipsenhalbachse (r_Z,y) zur Zargenwandstärke (t_ZW) der Zargenwand (24) in einem Bereich von ungefähr 0,5 ausgebildet ist.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Zargenelement (14) mit einem Verhältnis der Zargenkopfhöhe (h_ZK) der Zargennase (22) zur Länge (l_Z,A) des Zargenkontaktflächenanschlusses der Zargennase (22) in einem Bereich größer oder gleich 2 ausgebildet ist.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der elliptische Bereich (24) eine dort in Folge Belastung auftretende maximale Kerbspannung aufweist, die den zulässigen Auslegungswert des Werkstoffes des Zargenelements (14) nicht überschreitet.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 20 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Zargenelement (14) so ausgebildet ist, dass die Zargenwandhöhe (h_ZW) kleiner oder gleich einer Zargenwandhöhe (h_ZW,max) ist, bei der eine maximal mögliche radiale Neigung des Zargenelements (14) vorliegt.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 20 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlußdeckel (18) und/oder das Segment (16) und/oder das Zargenelement (14) mit mindestens einer Entlastungskerbe (28) versehen ist.
Segmentverschluß nach einem der Ansprüche 20 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlußdeckel (18) und/oder das Segment (16) und/oder das Zargenelement (14) mindestens eine Verrundung (30) an den Kontaktflächenberandungen der Deckel- und/oder Zargenkontaktfläche (12, 10) aufweist.