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Einrichtung zur Erzeugung sehr hoher Drücke Die vorliegende Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung sehr hoher Drücke mit mindestens drei druckvervielfachenden
Preßstempeln.
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Zur Erzeugung extrem hoher Drücke verwendet man häufig keilförmig
oder kegelig zulaufende Preßstempel aus Hartmetall od. dgl., die durch eine hydraulische
Einrichtung gegen ein zu komprimierendes Objekt vorgeschoben werden. Bei einer bekannten
Einrichtung dieser Art werden zwei Stempel mit kreisförmigem Querschnitt mit kegelstumpfförmigen
Vorderenden verwendet, zwischen deren Stirnffächen das in eine Dichtung aus einem
tonartigen Mineral eingeschlossene Objekt komprimiert wird. Eine andere bekannte
Einrichtung verwendet vier räumlich angeordnete Preßstempel, deren Spitzen Stümpfe
dreiseitiger Pyramiden sind und deren Stirnflächen einen tetraederförmigen Raum
einschließen, in dem sich das zu komprimierende Objekt befindet. Es ist ferner bekannt,
das zu komprimierende Objekt in Pyrophyllit oder Silberchlorid einzubetten, die
gleichzeitig als Dichtungen für die Zwischenräume zwischen den Preßstempeln wirken,
welche vorhanden sein müssen, um die räumlich angeordneten Preßstempel in Richtung
auf das zu komprimierende Objekt vorzuschieben.
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Bei den bekannten Einrichtungen zur Erzeugung sehr hoher Drücke haben
die für die Aufnahme des zu komprimierenden Objektes zur Verfügung stehenden Räume
entweder die Form eines Kreiszylinders sehr kleiner Höhe oder eines regelmäßigen
Polyeders.
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Wie weiter unten noch genauer ausgeführt werden wird, besteht ein
grundsätzlicher Nachteil dieser bekannten Anordnungen darin, daß man bei einer Vergrößerung
des Probenvolumens sehr bald auf Grenzen stößt, die durch die naturgemäß begrenzte
Druckfestigkeit des für die Preßstempel verwendeten Werkstoffes und die ebenfalls
begrenzten Drücke, die auf diese Preßstempel ausgeübt werden können, gegeben wird.
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Es ist ferner eine Einrichtung zur Erzeugung hoher Drücke vorgeschlagen
worden, die mehrere Druckvervielfachungseinheiten enthält, die von verschiedenen
Seiten auf einen zentral angeordneten, unter Druck zu setzenden Körper einwirken
und wenigstens teilweise von Trägern unterstützt sind, die durch Gelenke derartig
miteinander verbunden sind, daß ein geschlossener, gelenkiger und gegen Druck widerstandsfähiger
Rahmen die Druckvervielfachungseinheiten umgibt. Bei der vorgeschlagenen Anordnung
können die Stirnflächen der Preßstempel einen prismatischen Raum bilden, der durch
zwei Endflächen geschlossen ist. Der Querschnitt des pris-
matischen Raumes kann
die Form eines regulären Vielecks haben.
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Durch die vorliegende Erfindung wird nun eine Einrichtung zur Erzeugung
sehr hoher Drücke angegeben, die es erlaubt, wesentlich größere Volumina unter Druck
zu setzen, als es mit den bekannten und den vorgeschlagenen Einrichtungen möglich
ist. Die Einrichtungen gemäß der Erfindung besitzen auch noch in anderer Hinsicht
Vorteile.
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Eine Einrichtung zur Erzeugung hoher Drücke mit mindestens drei in
einem durch Scharniere verbundenen Rahmen angeordneten Druckvervielfachungseinheiten
aus Preßstempeln, deren Stirnflächen kleiner sind als ihre rückwärtigen Flächen
und die durch Preßvorrichtungen in Richtung auf die Mitte eines durch die Stirnflächen
zusammen mit zwei gegenüberliegenden parallelen Endflächen gebildeten Hohlraumes
gedrückt werden können, der zur Aufnahme des unter Druck zu setzenden, in einen
druckübertragenden Werkstoff eingebetteten Objektes dient, ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß der Hohlraum in Längsrichtung zwischen den Endflächen mindestens
dreimal so groß ist wie seine größte Querschnittsabmessung.
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In den im folgenden näher beschriebenen Einrichtungen sind also eine
Anzahl von druckvervielfachenden Stempeln derart um einen zentralen Hohlraum angeordnet,
daß die Stirnflächen der Stempel eine
Umfangsfläche für den Hohlraum
bilden und daß jeder Stempel von den beiden ihm benachbarten Stempeln durch einen
Spalt oder Zwischenraum getrennt ist. In dem Hohlraum befindet sich ein Probenkörper,
dessen Form mit dem Hohlraum überein stimmt und der aus einem Innenvolumen aus dem
zu komprimierenden Probenwerkstoff und einer den Probenwerkstoff umgebenden Umhüllung
aus einem druckübertragenden Werkstoff besteht. Der druckübertragende Werkstoff
besitzt die Eigenschaft, daß er unter der Einwirkung des von den Druckstempeln ausgeübten
hohen Druckes zum Teil in die Zwischenräume zwischen den Druckstempeln gequetscht
wird und dort als Dichtung wirkt, während der Rest des druckübertragenden Werkstoffes
semiplastisch oder viskos wird und den einwirkenden Druck auf den Probenwerkstoff
überträgt. Ein geeigneter druckübertragender Werkstoff ist das in der Natur vorkommende
Mineral Pyrophyllit, ein Silicat der Talkgruppe mit der Formel Al [Si4010] (OH).>.
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Aus Gründen, auf die noch näher eingegangen wird, ist es wünschenswert,
daß der Testkörper eine längliche Gestalt besitzt, die, geometrisch gesprochen,
einen dreidimensionalen Körper mit zwei Endflächen darstellt, die durch eine Umfangsfläche
verbunden sind, die wiederum durch eine in sich parallele Bewegung einer Geraden
längs einer geschlossenen Kurve erzeugt werden kann. Die so definierte Form des
Testkörpers umfaßt sowohl zylindrische Körper (die geschlossene Kurve ist dann stetig
gekrümmt) oder prismatische Körper (bei denen die geschlossene Kurve ein Polygon
ist). Die so definierte Form soll im folgenden als »zylindrisch-prismatisch« bezeichnet
werden.
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Ein langgestreckter Probenkörper mit zylindrischprismatischer Form
ist einem nicht langgestreckten Körper dieser Art oder einem regulären polyedrischen
Probenkörper aus folgenden Gründen vorzuziehen: Gegeben sei ein Probenkörper der
beschriebenen zylindrisch-prismatischen Form, der jedoch nicht langgestreckt ist,
so daß seine Länge s in Richtung der Hauptachse etwa gleich dem maximalen Querschnitt
w des Körpers ist (w ist im Falle eines Zylinders der Durchmesser), und es werde
nun die Aufgabe gestellt, den Testkörper zu vergrößern, so daß ein größeres Volumen
an Probenwerkstoff komprimiert werden kann, so besteht eine naheliegende Lösung
darin, den Querschnitt des Probenkörpers selbst und dementsprechend den Querschnitt
des Probenwerkstoffes und des diese umschließende äußere Einrichtung zu vergrößern.
So kann man beispielsweise den Querschnitt des Probenkörpers, des darin enthaltenen
Probenwerkstoffes und der auf diese drückenden Stempel verdoppeln, um das Volumen
des Probenmaterials zu vervierfachen.
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Wenn das Probenvolumen auf diese Weise vervierfacht wird, muß man
die gesamte von den Druckstempeln ausgeübte Arbeit entsprechend erhöhen, um dieselbe
Kompression pro Volumeinheit wie vorher zu erreichen. Ein Teil dieser Arbeitserhöhung
wird durch die Verdoppelung der Querschnittsabmessungen der Druckstempel erreicht,
da die Stirnfläche und die Rückfläche der einzelnen Stempel verdoppelt werden muß,
so daß jeder Stempel auf den Probenkörper eine nach innen gerichtete Kraft ausübt,
die doppelt so groß ist wie vorher, wenn der gleiche Druck wie vorher auf die Rückseite
des Stempels ausgeübt wird. Es soll hier angenommen werden,
daß dieser Druck für
den gegebenen Druckvervielfachungsfaktor der Stempel einen gegebenen Wert besitzt,
so daß sich die maximal noch mit Sicherheit zu beherrschende Beanspruchung pro Querschnittsfläche
an der Stirnfläche der Stempel, wo die Beanspruchung am größten ist, ergibt, und
daß dieser Wert nicht überschritten werden kann.
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Die Verdoppelung der Querschnittsabmessungen der Stempel und deren
Vorder- und Rückflächen deckt also einen Teil der erforderlichen Mehrarbeit.
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Die zusätzlich noch nötige Arbeitserhöhung kann offensichtlich nur
durch eine Vergrößerung des Hubes der Stempel um einen gewissen Faktor erzielt werden.
Um jedoch den Hub der Stempel vergrößern zu können, muß man die Zwischenräume zwischen
den Stempeln um einen entsprechenden Faktor vergrößern. Jede Vergrößerung der Zwischenräume
zwischen den Stempeln führt jedoch zu Schwierigkeiten, da bei einer Erweiterung
der Zwischenräume das in diese ausgepreßte Pyrophyllit immer weniger als Dichtung
für das im Zentralhohlraum verbleiblende, unter Druck stehende Pyrophyllit wirken
kann. Schließlich wird sogar ein Zustand erreicht, bei dem das ausgepreßte Pyrophyllit
überhaupt nicht mehr als Dichtung wirkt, so daß der ganze druckübertragende Werkstoff
des Probenkörpers durch die Zwischenräume ausfließt und die Einrichtung funktionsunfähig
wird.
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Außer den Schwierigkeiten, die sich durch die Vergrößerung der Zwischenräume
ergeben, werden außerdem bei einer Vergrößerung der Querschnittsabmessungen der
Einrichtungen die Druckstempel, das Gehäuse und die anderen Teile der Einrichtung
klobig und groß, so daß sie schließlich unbequem, schwer zu handhaben und zu justieren
und schwierig auf die erforderlichen engen Toleranzen zu bearbeiten sind. Einer
Vergrößerung des Probenvolumens durch eine allgemeine Vergrößerung der Querschnittsabmessungen
sind also verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt. Die gleichen Schwierigkeiten wie
bei der Vergrößerung des Querschnitts eines zylindrischprismatischen Probenkörpers
treten auch dann auf, wenn alle drei Dimensionen eines regulären polyedrischen Probenkörpers
vergrößert werden, so daß hier ebenfalls enge Grenzen gesetzt sind.
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Im Gegensatz zu einer Vergrößerung des Volumens des Probenmaterials
durch Vergrößerung der Querschnittsabmessungen kann das Volumen bei zylindrisch-prismatischen
Körpern auch dadurch vergrößert werden, daß der Testkörper in seiner axialen Richtung
verlängert wird. Ein Vorteil einer solchen Verlängerung besteht darin, daß die Zwischenräume
zwischen den einzelnen Druckstempeln nicht vergrößert werden müssen und daß daher
auch die Wahrscheinlichkeit, daß das Pyrophyllit oder der andere druckübertragende
Werkstoff durch die Zwischenräume herausgedrückt wird, nicht steigt.
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Ein anderer Vorteil der Vergrößerung des Probenvolumens besteht darin,
daß, wie noch beschrieben werden wird, Apparateteile handelsüblicher Standdardgrößen
in Tandemanordnung verwendet werden können, so daß die Notwendigkeit entfällt, die
einzelnen Teile selbst zu vergrößern.
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Ein weiterer Vorteil einer Verlängerung der Probenkörper besteht
darin, daß eine bessere Heizung der Proben mittels Stromdurchganges durch den Probenkörper
möglich ist. Der Grund hierfür liegt, kurz gesagt, darin, daß für ein gegebenes
Werkstoffvolumen
in einem Stromweg gleichförmigen Querschnitts
und für einen gegebenen Wert des zugeführten Stromes (dessen Maximalwert beispielsweise
durch die Belastbarkeit der Zuführungsdrähte begrenzt ist) die Umsetzungsrate von
elektrischer in Wärmeenergie vom Quadrat der Länge des Stromweges abhängt, wenn
die Länge auf Kosten der Querschnittsfläche des Stromweges vergrößert wird.
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Vom Standpunkt einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Heizung ist es
daher wünschenswert, den Probenkörper so weit zu verlängern, wie es die anderen
Umstände zulassen.
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Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Einrichtung vom Einfach-Delta-Typ, der
die obenerwähnten Vorzüge besitzt, die sich aus der Verwendung von langgestreckten
Probekörpern ergeben. Bei dieser Einrichtung ist eine Masse45 eines speziellen Probenmaterials
zu einem langgestreckten Prisma mit einem Querschnitt in der Form eines gleichseitigen
Dreiecks geformt. Diese Probenmasse ist mit Ausnahme ihrer Enden von einem Mantel
46 aus einem druckübertragenden Werkstoff, z.B. Pyrophyllit oder Silberchlorid,
umgeben, dessen äußere Begrenzung die Form eines gleichseitigen Dreiecks besitzt,
das parallel und konzentrisch zum entsprechenden Querschnittsdreieck des Probenwerkstoffes
45 liegt. Der Probenwerkstoff 45 und der Mantel 46 bilden zusammen einen Probenkörper
47, der außerdem noch eine nicht dargestellte Schicht aus einem elektrisch leitenden
Werkstoff enthalten kann, die den Probenwerkstoff umgibt und dessen Erhitzung durch
Stromfluß ermöglicht. Der Probenkörper kann noch Hilfselemente, wie Stromzuführungsleitungen,
Probenkapseln und -röhren u. dgl., enthalten. Wie aus der Zeichnung ersichtlich
ist, besitzt der Probenkörper 47 also die Form eines langgestreckten Prismas mit
zwei Endflächen 48, 49 (F i g. 3) in Form von gleichseitigen Dreiecken und drei
gleichen Seitenflächen 50 a, 50 b, 50 c (F i g. 2) in Form von langgestreckten Rechtecken,
die in Ebenen senkrecht zu den Ebenen der Endflächen 48, 49 liegen.
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Die drei langgestreckten Seiten 50a bis 50c des Probenkörpers 47
können gleichzeitig durch entsprechende Druckanordnungen 51 a, 51 b, 51c unter Druck
gesetzt werden. Da die drei Anordnungen praktisch gleich sind, genügt es, nur die
Anordnung 51 a zu beschreiben; diese Beschreibung gilt dann auch, wenn nicht ausdrücklich
etwas anderes erwähnt wird, für die Anordnungen 51 b und 51 c. Die einzelnen Teile
der Anordnungen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, denen entsprechende Buchstaben
angefügt sind.
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Die Drackanordnung 51 a enthält als eines ihrer Hauptbestandteile
ein Reaktionsgehäuse 52 a oder Widerlager, durch dessen unteren Teil vom einen Ende
zu anderen ein tiefer, nach unten offener Kanal 53 a (F i g. 1) mit rechteckigem
Querschnitt (F i g. 2) verläuft. Der Kanal 53 a ist oben durch einen in vertikaler
Richtung dicken Teil des Gehäuses 52 a begrenzt, das einen Block 54 a bildet. An
den Seiten wird der Kanal 53 a durch zwei Flanschteile 55 a, 56 a begrenzt, die
sich von dem Block 54a nach unten erstrecken. Die beiden Flansche 55 a, 56a laufen
unten in Scharnierköpfe 57a, 58 a aus. Wenn die beschriebene Einrichtung vom Einfach-Delta-Typ
zusammengesetzt wird, werden die Scharnierköpfe 57 a der Anordnung 51 a und 58b
der Anordnung 51 b ineinandergefügt und durch eine Scharnierachse 59 ab
verriegelt,
die die sich deckenden Bohrungen der ineinandergefügten Scharnierköpfe 57 a, 58
b durchsetzt.
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In entsprechender Weise werden die Anordnungen 51 a, 51c scharnierartig
durch einen Verbindungsstift 59 ac verbunden, der parallel zum Stift 59 ab verläuft
und die ineinandergefügten Scharnierköpfe 58 a, 57c durchsetzt. Die Anordnungen
51 b, 51c werden dementsprechend durch einen Verbindungsstift 59 bc verbunden, der
parallel zu den Stiften 59 ab, 59 asc verläuft und die ineinandergefügten Scharnierköpfe
57 b, 58c verbindet. Dadurch, daß die Druckanordnungen 51 a bis 51c durch Scharniere
miteinander verbunden sind, wird die Übertragung von Momenten von einer Anordnung
auf die andere verhindert. Die Scharnierverbindungen bringen außerdem den Vorteil
mit sich, daß sie eine Selbstjustierung der Druckstempel gewährleisten und daß sie
eine Verbindung hoher Festigkeit vergeben, da die einwirkenden Kräfte auf eine Vielzahl
von Scherkräften aufgeteilt werden.
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Wie besonders aus F i g. 1 ersichtlich ist, ist längs des Reaktionsgehäuses
52 a eine Anzahl von hydraulischen Zylindern 65 a angeordnet, die über Kanäle 66
a mit Einlaßöffnungen an der Oberseite des Gehäuses in Verbindung stehen. Die Zylinder
können direkt im Block 54 a des Gehäuses gebildet sein und mit diesem aus einem
Stück bestehen, wie dargestellt ist; sie können andererseits auch übliche hydraulische
Zylinderanordnungen sein, die in geeignete Ausnehmungen im Block eingesetzt sind.
In den einzelnen Zylindern 65 a liegt jeweils ein hydraulischer Kolben 67a, der
mit einer Ringdichtung 68a versehen ist. Die hydraulischen Anordnungen 65a bis 68
a sind nur schematisch dargestellt, sie können in der Praxis selbstverständlich
in an sich bekannter Weise zusätzliche, nicht dargestellte Elemente enthalten, wie
Führungen, Buchsen und andere Armaturen. Gewünschtenfalls können auch an sich bekannte
Mehrfach-Kolhenanordnungen mit z. B. hintereinandergeschalteten Kolben verwendet
werden.
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Die Kolben 67 a sind an ihrer Vorderseite mit ebenen Druckflächen
versehen, die in Abständen auf die rückwärtige Fläche eines Druckstempels 70a drücken,
der die Form eines langgestreckten rechteckigen Stabes besitzt und sich vom einen
Ende des Gehäuses 52 a zum anderen in den Kanal 53 a erstreckt. Um das nötige Spiel
zu gewährleisten, können die longitudinal gegenüberliegenden Enden des Druckstempels
gegenüber den longitudinal entgegengesetzten Enden des Gehäuses geringfügig nach
innen verlaufen.
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Der Druckstempel 70a kann im Kanal gleiten und durch die Kolben 67a
nach unten gedrückt werden.
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Um zu gewährleisten, daß die Verschiebung nach unten genau in der
gewünschten Richtung erfolgt, ist der Stempel in Hubrichtung durch zwei vorzugsweise
zylindrische Führungsbolzen 71 a, 72 a (Fig. 1) geführt, die sich vom Block 54 a
nach unten erstrecken und im Paßsitz in senkrechten Bohrungen 73 a, 74 a im Stempel
liegen. Diese Führungsbolzen verhindern auch eine Längs- oder Drehbewegung während
seiner Verschiebung.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist das Stirnende mit einem flachen, in Längsrichtung
verlaufenden und nach unten offenen Kanal 75 a versehen, der einen rechteckigen
Querschnitt besitzt. In diesen Kanal ist durch Einschrumpfen oder im Preßsitz ein
långlicher rechteckiger Einsatz 76 a aus einem Werkstoff hoher Druckfestigkeit,
wie Schnelldrehstahl oder ein Hartmetall
(Carbaloy) eingesetzt.
Der Einsatz bildet am Vorderende des Stempels 70 a eine langgestreckte rechteckige,
ebene Frontfläche, deren Ränder parallel zu den Rändern der Seitenfläche 50 a des
Probenkörpers 47 verlaufen und die mit einem flachen Kontakt gegen die Oberfläche
des Probenkörpers drücken kann. Die Breite dieser Stirnfläche des Stempels ist geringfügig
kleiner als die Breite der anliegenden Fläche 50 a des Probenkörpers 47, und sie
ist beträchtlich kleiner als der Durchmesser der Flächen an der Rückseite des Stempels
70 a, an denen die Kolben 67a anliegen. Die Stirnfläche des Einsatzes 76 a ist vertikal
bündig mit den nach unten reichenden Enden der Seitenwände des Kanals 75 a. Der
Stempel ist beidseits des Einsatzes abgeschrägt, so daß geneigte Fasen 77 a vorhanden
sind, die sich von den vorderen Rändern des Einsatzes 76 a schräg nach hinten erstrecken
und dem Stempel am vorderen Ende einen nach vorn kleiner werdenden Querschnitt verleihen.
Die Fasen der Stempel sind voneinander durch schmale Zwischenräume 78 getrennt.
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In der Einrichtung vom Einfach-Delta-Typ herrschen bestimmte geometrische
Verhältnisse. Die Mittellinien der Wirkungsrichtung der Stempel 76 a liegen in einer
vertikalen Mittelebene, zu der die ganze Druckanordnung 51 a axial symmetrisch ist.
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Diese Ebene steht senkrecht auf der rückwärtigen Fläche des Stempels
70a und zur Stirnfläche dieses Stempels, die durch den Einsatz 76 a gebildet wird;
sie schneidet außerdem senkrecht die langgestreckte Seitenfläche 50a des Probenkörpers
47, geht durch die Längsachse des Körpers und die Längsachse des Gehäuses 52 a und
die Mittellinien der Führungszapfen 71 a, 72a (Fig. 1). Die anderen Druckanordnungen
51 b, 51 c sind durch entsprechende axiale Symmetrieebenen gekennzeichnet, die jeweils
die Längsachse des Probenkörpers 47 schneiden und einen Flächenwinkel von 120° mit
der beschriebenen Symmetrieebene der Druckanordnung 51 a bilden.
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Die drei Scharnierstifte liegen jeweils in einer der drei Ebenen,
die außerdem die erwähnte Längsachse des Probenkörpers und eine der drei Kanten
des dreieckigen prismatischen Körpers 47 enthalten. Die Mittellinien der drei Scharnierstifte
sind alle parallel zu der genannten Achse und besitzen von dieser gleiche Abstände.
Die Gesamtfläche auf der Rückseite der Stempel, die von den antreibenden Kolben
berührt wird, ist flächenmäßig beträchtlich größer als die Stirnfläche der Stempel.
Die Stempel bewirken daher alle eine Druckvervielfachung.
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Es hat sich gezeigt, daß das Fehlen einer aktiven Druckeinwirkung
auf die Enden des Probenkörpers die Wirksamkeit der Kompression des Probenwerkstoffes
45 nicht nennenswert beeinträchtigt, wenn das Verhältnis der Länge des Probenkörpers
47 zu dessen Durchmesser etwa drei oder größer ist. Wenn also das Verhältnis der
Länge zum Durchmesser des Probenkörpers groß ist, können die Enden der beschriebenen
Einrichtung vom Einfach-Delta-Typ durch gewöhnliche Endplatten 80 abgeschlossen
werden, die keine andere Aufgabe haben, als dem Druck entgegenzuwirken, der durch
die Stempel auf den Probenkörper ausgeübt und über dessen Enden auf die Endplatten
übertragen wird. Die Endplatten sind jeweils mit drei Ausnehmungen 81 versehen,
durch die sie mit einem losen Sitz auf die aus den Gehäusen 52 a bis 52c herausstehenden
Enden der Scharnierstifte aufgeschoben werden können. Die so aufge-
schobenen Platten
80 werden dann durch Anziehen der auf die Scharnierstifte aufgeschraubten Schraubenmuttern
angepreßt.
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Ist das Verhältnis von Länge zu Dicke des Probenkörpers 47 kleiner
als 3 : 1, so ist es wünschenswert, daß dem auf die Enden des Testkörpers 47 von
den Stempeln 70a bis 70c ausgeübten Druck eine aktive Gegenkraft entgegengesetzt
wird. Dies kann durch Ersatz der Endplatten 80 durch die in F i g. 4 und 5 dargestellte
Anordnung 90 geschehen. Die in diesen Figuren dargestellte Endanordnung 90 besteht
aus einem dreieckigen Block mit Löchern 91, die die Scharnierstiftenden lose aufnehmen
können. Der Block enthält einen hydraulischen Zylinder91, der über einen Kanal 93
mit einer Einlaßöffnung für das Druckmedium an der Oberfläche des Blockes verbunden
ist. Der Zylinder 92 enthält einen üblichen hydraulischen Kolben 94 mit einem Dichtungsring
95. Im Betrieb wird der Kolben 94 zwar nur wenig oder gar nicht verschoben, durch
das in den Zylinder 92 eingedrückte Druckmedium übt er jedoch eine nach vorn gerichtete
Kraft auf die Enden des Testkörpers aus, die der entgegenwirkenden Kraft, die der
Probenkörper 47 unter dem Druck der Stempel 70a bis 70c ausübt, gleich ist oder
diese sogar überwiegt.
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Im folgenden soll die Handhabung der Einrichtung beschrieben werden
unter der Annahme, daß Endplatten 80 verwendet werden und daß die Einrichtung mit
Ausnahme einer dieser Endplatten zusammengesetzt und an eine hydraulische Druckquelle
angeschlossen ist. Man zieht nun einen der Stempel von Hand oder hydraulisch von
den anderen zurück, um das Einsetzen eines Probenkörpers 47 in den durch die Vorderenden
der Stempel gebildeten Hohlraum zu erleichtern. Der Probenkörper wird durch das
noch offene Ende der Einrichtung in den Hohlraum eingeschoben, bis sein Ende an
der schon an Ort und Stelle befindlichen Endplatte anliegt. Dann wird das offene
Ende der Einrichtung durch die noch fehlende Endplatte80 verschlossen. Nun kann
die Einrichtung durch Betätigen der hydraulischen Anordnung in Betrieb genommen
werden, indem Druckmedium eingeleitet wird und alle Druckstempel gleichzeitig nach
innen gepreßt werden. Bei dieser Verschiebung der Stempel wird der Probenwerkstoff
45 innerhalb des Probenkörpers 47 extrem hohen Drücken ausgesetzt. Nach der Kompression
kann das komprimierte Probenmaterial durch Entfernung der Scharnierstifte und Auseinandernehmen
der Druckanordnungen aus der Einrichtung entnommen werden.
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Anstatt die Stempel durch direkt einwirkende hydraulische Kolbenanordnungen
vorzuschieben, können die Stempel auch durch Keilwirkung angetrieben werden, wie
am Beispiel einer in den F i g. 6 bis 8 dargestellten Doppel-Delta-Einrichtung gezeigt
werden soll. Bei dieser Anordnung ist ein linker Probenkörper 47' in der Mitte einer
Anordnung von Druckstempeln 70 a' bis 70 c' angeordnet, die mit dem Probenkörper
eine Stempelanordnung 100' bilden. Der linken Stempelanordnung 100' entspricht eine
rechte Stempelanordnung 100", die aus einem Probenkörper 47" und aus einer diesen
umgebenden Anordnung von Stempeln 70 a" bis 70 c" besteht. Die Stempelanordnungen
100', 100" entsprechen mit der Ausnahme von noch zu erwähnenden Abweichungen praktisch
der Stempelanordnung der bereits oben beschriebenen Einrichtung vom Einfach-Delta-Typ
mit
dem Probenkörper 47 und den Stempeln 70 a bis 70c. Es erübrigt sich daher, die Anordnungen
100', 100" in allen Einzelheiten zu beschreiben. Wie F i g. 7 zeigt, liegen die
beiden Stempelanordnungen symmetrisch zu einer vertikalen Ebene 101, die die Doppel-Delta-Einrichtung
halbiert.
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Die Anordnungen 100', 100" sind durch einen Rahmen mit offenen Enden
umgeben, der etwa trapezförmig ist und aus einem Oberteil 103 und einem Unterteil
104 besteht. Die Teile 103, 104 sind an ihren Enden scharnierartig durch Scharnierstifte
105', 105" verbunden, entsprechend den Scharnierverbindungen der Einfach-Delta-Einrichtung.
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Der untere Teil 104 ist in der Mitte zu einem Block 106 verdickt,
der einen hydraulischen Zylinder 107 aufnimmt, der entweder direkt in dem Block
106 gebildet sein kann und dann mit diesem, wie dargestellt, aus einem Stück besteht;
es kann auch eine übliche hydraulische Zylinderanordnung verwendet werden, die dann
in eine geeignete Ausnehmung in dem Block eingesetzt wird. Der Zylinder 107 enthält
einen hydraulischen Kolben 108 mit einem Dichtungsring 109. Die aus Zylinder und
Kolben bestehende Anordnung 107, 108, 109 kann zusätzliche, nicht dargestellte Teile
und Merkmale enthalten, wie sie in üblichen hydraulischen Kolbenanordnungen vorhanden
sind, wie Führungen, Buchsen und andere Armaturen.
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Die ebene obere Fläche des Kolbens 108 trägt einen rechtwinkligen
Keilklotz 110 gleicher Länge wie die Stempel anordnungen 100', 100" und ebenen Seitenflächen
111', 111", die von unten nach innen geneigt nach oben verlaufen, so daß der Klotz
einen trapezförmigen Querschnitt besitzt. Die Seitenflächen 111', 111" stellen,
wie dargestellt, Gleitflächen für die ebenen Rückseiten 112a', 112a" der links bzw.
rechts gelegenen Stempel 70a' und 70a" dar.
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Wie F i g. 7 zeigt, ist die Doppel-Delta-Einrichtung symmetrisch
zu der vertikalen Mittelebene 101. Es genügt daher, nur die linke Seite der Einrichtung
genauer zu beschreiben. Die Beschreibung gilt, soweit nicht ausdrücklich etwas anderes
erwähnt wird, also auch für die rechte Seite; die Elemente der linken Seite sind
mit einem, die der rechten Seite mit zwei Strichen bezeichnet.
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Die linke Seitenfläche 111' des Keilklotzes 110 stellt, wie bereits
erwähnt worden war, eine Gleitfläche dar, die die Rückseite des Stempels 70a' der
Stempelanordnung 100' abstützt. Der zweite Stempel 70 b' dieser Anordnung stützt
sich ebenfalls mit seiner Rückseite auf einer ebenen Gleitfläche 115' ab, die an
der Unterseite des Gehäuseteiles 103 gebildet ist. In entsprechender Weise stützt
sich der dritte Stempel 70c' auf einer ebenen Gleitfläche 116' ab, die an der Oberseite
des unteren Teiles 104 gebildet ist. Die rückwärtigen Flächenll2a' bis 112c' der
Stempel 70a' bis 70c' sind eben, so daß die anliegenden Gleitflächen über die ganze
Rückfläche der Stempel Kräfte übertragen können.
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Zwischen den Stempeln 70 a' bis 70 c', deren Rückseiten und den Flächen,
auf denen diese Rückseiten gleiten, bestehen die folgenden geometrischen Beziehungen:
Die Gleitfläche 111' des Keilklotzes 110 und die zugehörige Rückflächell2a' des
Stempels 70a' liegen beide senkrecht zu einer Ebenel20a', die den Stempel 70 a'
halbiert und durch die Hauptachse des Probenkörpers 47 und die Achse des Scharnierstiftes
105' verläuft. Die Ebene 120 a' bildet
mit den Ebenenl20b' und 120c', die die Stempel
70b' bzw. 70c' halbieren und ebenfalls durch die Hauptachse des Probenkörpers 47'
gehen, jeweils einen Winkel von 1200. Die Ebenen der Gleitflächen 115', 116' der
Gehäuseteile 103, 104 stehen jedoch nicht genau senkrecht zu den zugehörigen Ebenen
120b' bzw. 120c'. Die Flächen 115', 116' sind vielmehr um etwa 10 gegenüber der
senkrechten Lage gekippt. Die Richtung der Kippung ist so gewählt, daß sich die
Ebenen 115', 116' mit einem Winkel von etwa 580 anstatt 600 in einer Geraden schneiden,
die parallel zur Hauptachse des Probenkörpers 47 verlaufen. Da die rückwärtigen
Flächen 112 b', 112 c' der Stempel70b', 70c' parallel zu den zugehörigen Gleitflächen
115', 116' verlaufen, sind diese Rückflächen in gleicher Weise um einen Winkel von
etwa 10 gegenüber der Ebene geneigt, die auf der die Stempel halbierenden Ebene
senkrecht steht. Durch die geringe Verkippung der Rückflächen der Stempel und der
entsprechenden Seitenflächen ergibt sich eine Aufteilung der senkrecht auf die Rückseite
des Stempels 70a' einwirkenden Kraft in Komponenten, die auf die Stempel 70 b',
70 c' gerichtet sind und die unter Berücksichtigung der Reibung bewirken, daß die
letztgenannten Stempel längs der Gleitflächen 115,' 116' in Richtung auf den Scharnierstift
105' gleiten.
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Das Gleiten der Stempel 70 a' bis 70c' gegenüber den anliegenden
Gleitflächen kann durch Schmierung verbessert werden. Die Art des Schmiermittels
ist an sich nicht kritisch, es hat sich jedoch herausgestellt, daß sich hierfür
besonders dünne Blätter oder Folien aus Polytetrafluoräthylen eignen, die zwischen
die Stempel und die zugehörigen Gleitflächen eingelegt werden.
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Vor der Komprimierung wird der aus den Teilen 103, 104 bestehende
Rahmen an den offenen Enden durch zwei Endplatten 130 verschlossen, die mit Löchern
131 versehen sind, die lose auf die herausstehenden Enden der Scharnierstifte 105,
105' passen.
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Die Endplatten 130 werden durch Anziehen von Schraubenmuttern 132
auf den Scharnierstiften gegen den Rahmen gepreßt. Die einfachen Endplatten 130
können durch blockförmige Endverschlußplatten 140 ersetzt werden, die in F i g.
9 und 10 dargestellt sind und jeweils zwei aus Zylinder und Kolben bestehende Einheiten
141 enthalten, die bei montierter Endverschlußplatte an den an die Endverschlußplatten
angrenzenden Stirnflächen der Probenkörper 47', 47" anliegen. Aufbau und Arbeitsweise
dieser Anordnungen entspricht der Verschlußanordnung 90 in F i g. 5.
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Die beschriebene Einrichtung vom Doppel-Delta-Typ arbeitet folgendermaßen:
Zuerst werden die Probenkörper 47', 47" in die Druckstempelanordnungen 100', 100"
eingesetzt. Die Einrichtung wird dann in der gleichen Weise, wie bei der einfachen
Anordnung beschrieben war, betriebsbereit gemacht.
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Nun wird ein unter Druck stehendes hydraulisches Medium in den Zylinder
107 eingepreßt, so daß der Kolben 108 und der Keilklotz 110 nach oben gedrückt werden.
Wenn sich der Keilklotz 110 nach oben verschiebt, gleitet der Stempel70a' über die
Seitenfläche 111' und wird durch die Keilwirkung dieser Fläche des Keilklotzes 110
nach vorn in Richtung auf den Probenkörper47' gedrückt. Die vom Stempel 70 a' auf
den Probenkörper ausgeübte Kraft spaltet sich, wie erwähnt, in zwei Komponenten
auf, die auf die Stempel 70 b', 70 c' wirken und diese über
die
Flächen 115', 116' gleiten lassen. Wegen der Neigung dieser Flächen gegeneinander
ergibt das Gleiten der Stempel 70b', 70c' eine Keilwirkung, so daß die Stempel auf
den Probenkörper47' gedrückt werden; bei richtiger Bemessung der Einrichtung sind
die durch die Keilwirkung bewirkten Verschiebungen in Richtung auf den Körper 47'
gleich der gleichzeitigen Verschiebung des Stempels 70a' auf das Zentrum des Probenkörpers.
Der Probenkörper 47' wird also gleichzeitig durch gleiche Verschiebungen aller drei
Stempel 70 a' bis 70 c' komprimiert.
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Während der links gelegene Probenkörper 47' auf die beschriebene
Weise zusammengedrückt wird, wird in genau der gleichen Weise auch der rechts gelegene
Probenkörper47" durch die Stempel 70a" bis 70 c" komprimiert. Da die Doppel-Delta-Einrichtung
symmetrisch zur vertikalen Mittelebene 101 ist, sind die bei der Komprimierung des
Körpers 47' wirksamen Aktions- und Reaktionskräfte entgegengesetzt gleich den bei
der Kompression des Körpers 47" wirksamen Aktions- und Reaktionskräften. Das Ergebnis
ist, daß sich die beiden Kräftegruppen aufheben und die Belastung der Einrichtung
dadurch weitgehend verringert wird. Die Doppel-Delta-Einrichtung erfordert zwar
einen größeren Kolbenhub als die Einfach-Delta-Einrichtung, um eine bestimmte Stempelverschiebung
zu bewirken, gleichzeitig ist bei der Doppel-Delta-Einrichtung aber ein geringerer
hydraulischer Druck erforderlich als bei der einfachen Einrichtung, um eine gegebene
Stempelantriebskraft zu erzeugen. Die Doppel-Delta-Einrichtung liefert daher in
der Praxis eine bestimmte Arbeit durch einen größeren Kolbenhub bei kleinerem hydraulischem
Druck als die Einfach-Delta-Einrichtung.
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Sowohl bei der einfachen als auch bei der doppelten Presse bringt
die Dreieckanordnung der Stempel den Vorteil mit sich, daß die Anzahl der Stempel
ein Minimum wird, so daß die Justierung einfacher ist, und daß der Winkel von 120
zwischen den schrägen Endflächen der Vorderseiten der Stempel der größte Stempelkonvergenzwinkel
ist, der bei einer Anordnung von einen Probenkörper umgebenden gleichartigen Stempeln
möglich ist. Durch den maximalen Konvergenzwinkel bei jedem einzelnen Stempel erhält
man den größtmöglichen Druck, den der Stempel auf den Probenkörper ausüben kann,
während man gleichzeitig ein strukturelles Versagen der Stempel vermeidet.
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Ähnlich wie die Dreieckanordnung der Stempel hat auch die Dreieckform
des Gehäuses 52a bis 52c der einfachen Einrichtung den Vorteil, daß die kleinstmögliche
Anzahl von Gehäuse- und Zubehörteilen benötigt wird. Da ein dreieckiger Rahmen naturgemäß
ein starrer Körper ist, hält der durch die Teile 52 a bis 52 c gebildete Rahmen
jederzeit von selbst die richtige Lage und Justierung ein, d. h. sowohl vor der
Kompression als auch während dieser.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur zur Erläuterung gedacht,
sie können selbstverständlich in vieler Hinsicht abgewandelt werden, ohne den Rahmen
der Erfindung zu überschreiten. So können beispielsweise die Stempel der Einfach-
und der Doppel-Delta-Presse so abgewandelt werden, daß sie sich zur Komprimierung
zylindrischer Probekörper eignen. Die Stempel der Einfach-Delta-Presse können natürlich
auch durch eine einzige, aus Zylinder und Kolben bestehende Einheit angetrieben
werden, wie sie bei der Doppel-Delta-Presse verwendet wird.
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Andererseits kann natürlich aber auch der Keilklotz 110 der Doppel-Delta-Presse,
wie Fig. 11 zeigt, durch eine Anzahl von aus Zylinder und Kolben bestehenden Einheiten
angetrieben werden, wie sie zum Vorschub der einzelnen Stempel in der Einfach-Delta-Presse
verwendet wurden. Sowohl bei der Einfach- als auch bei der Doppel-Delta-Presse können
mehrere Presseneinheiten der beschriebenen Art mit ihren Enden unter Weglassung
der Endplatten zwischen benachbarten Einheiten aneinandergefügt werden, und die
aneinandergefügten Einheiten können durch Scharnierstifte, die durch alle Einheiten
gehen, zusammengehalten werden, so daß sich eine aus einer ganzen Anzahl von Einheiten
gebildete Presse ergibt (deren beide Enden geschlossen werden), mit der ein Probenkörper
größerer Länge komprimiert werden kann, als es mit einer einzelnen Einheit möglich
wäre.
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Die einfache und die doppelte Presse eignen sich zwar besonders zum
Komprimieren von Probenkörpern, deren Verhältnis von Länge zu Dicke größer als Eins
ist, selbstverständlich können diese Pressen aber auch für Probenkörper verwendet
werden, bei denen das Verhältnis von Länge und Dicke gleich oder kleiner als Eins
ist.