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Prüfpresse zur Untersuchung von unter allseitigem Druck stehenden
Proben, insbesondere Bodenproben Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfpresse
zur Unter suchung von unter allseitigem Druck stehenden Proben, die inabesondere
rur Bodenproben und andere vergleichsweise umfangreiche Probenkörper gedacht ist.
Bei solchen Untersuchungen wird die Probe in einem geschlossenen Druckraum dem allseitigen
Einfluß eines Druckmittels, z. B. einer geeigneten Flüssigkeit ausgesetzt und gleichzeitig
Uber ein mit entsprechendem Pressenantrieb verbundenes Druckorgan einer einachsigen
Stauchung interworfen. Mit einer derartigen Presse lassen sich die ftir viele Zwecke
erforderlichen, mehrachsigen Spannungszustände in der Probe verwirklichen und messend
verfolgen.Dabei ist nicht nur eine genaue Messung des die Probe allseitig beaufschlagenden
Drucks der FlUssigkeit, sondern auch des einachsigen Pressen drucks erforderlich.
Entsprechendes gilt fur die Volumenänderung der Probe, die durch Messung des Flüssigkeitsinhaltes
des Druck raumes gemessen wird, wie auch rur die L&ngsverrormung der Probe und
dio entsprechende Bewegung des Druckorganes.
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Bekannte PrUrpressen der vorliegenden Art weisen eine Ummantelung
für den geschlossenen Druckraum auf, der gleichzeltig als Wider lager fUr den Stauchdruck
und das zugehörige Druckorgan wie auch als Abstützung fUr mit letzterem verbundene
Meßorgane lllent. Der artige Ausführungen haben den Nachtell, daß die Ummantelung
des geschlo@senen Druckraumes unter der Reaktionskraft des auf die Probe wirkenden
Stauchdrucks steht und somit in Abhängigkeit von der jeweiligen PrU£kraft wechselnde
Verformung erleidet. Die entsprechend eintretende Volumenänderung des Druckraumes
geht in die Messung des Probenvolumens ein und fUhrt zu schwer vermeidbaren Fälschungen
des MBßergebnisses, da sich die Verformung der Umm. antelung infolge der wechselnden
PrU£kraft kaum rechnerisch erfassenläßt. Umgekehrt kann bei den bekannten Anordnungen
auch der nach den Versuchsbedingungen wechselnde Innend ruakder Ununantelung fälsehend
in die Messung der Bewegung des Druckorganes und damit der Probenverformung unter
dem Stauchdruck eingehen.
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Andererseits ist bereits versucht worden, außer der Probe selbst die
Preßeinrichtung mit Meßvorrichtungen innerhalb eines geschlossenen Druckraumes unterzubringen.
Dadurch wird aber die Druckraumummantelung äußerst umfangreich und aufwendig sowie
die Handhabung und Ablesung der Meßvorrichtungen erschwert. Allen bekannten Prüfpressen
der vorliegenden Art haftet außerdem der Nachteil an, daß die Veränderung des Innenvolumenß
des Druckraumes infolge der Bewegung des in die Druokzelieeintauchenden Druckorganss
schwer effaßbar ist, so daß sich der genaue Messung des Probenvolumens und dessen
Xnderung bei der Prüfbelastung Schwierigkeiten entgegenstellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer PrUf presse
mit geschlossenem Druckraum, bei welcher die Verformung der Druckraumummantelung
in die Messung der Verschiebung des Druckorgans und damit der Probenstauchung nicht
eingeht. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe kennzeidnet sich haupt sächlich
darin, daß als Druckraum eine lediglich die Probe mit ihrer Halterung aufnelunende
Druckzelle vorgesehen ist, in die ein krK£tefrei abgedichteter Druckstempel eingereift,
der außerhalb der Fruckzelle mit einer Versohi ebungsme ße inrichtung verbunden
list.
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Durch diese Anordnung bleibt die Messung des Weges des Druckorganes
bei Belastung und Stauchung der Probe unabhängig vom Innendruck der Druckzelle und
deren Verformung. Außerdem kann die Druckzelle vorteilhaft Iclein behalten werden,
da ihr Innenraum aur den Probenabmessungen entsprechen muß. Auf die Messung des
Proben volumens bleibt die Verformung der Druckzelle ebenfalls ohne Einfluß, sofern
während des Versuches mit gleichbleibendem Innendruck gearbeitet wird. Aber auch
bei veränderlichem Innen druck der Zelle kann deren Verformung vergleichsweise einfach
und zuverlässig rechnerisch ermittelt werden, weil die Druck zelle keiner zusätzlichen
Verspannung infolge der auf die Probe wirkenden Prüfkraft unterliegt. Die Ummantelung
der Druckzelie unterliegt also vergleichsweise einfachen Spannungszuständen, die
durch rechnerische Erfassung eine Korrektur des Zellen volumens und damit eine genaue
Messung des Probenvolumens und seiner Änderung zulassen. Dies gilt insbesondere
dann, wenn die Druckwelle gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung
mit
einem zylindrischen Außenmantel versehen wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß ein
außerhalb der Druckzelle mit dem Druckstempel ver bundener und diesem in seinen
Abmessungen entsprechender Verdrängerkolben vorgesehen ist, der in einen mit der
Volumen mußeinrichtung verbundenen Ausgleichszylinder eingreift. Hier durck toird
die weitere Aufgabe gelost, bei der Messung des Proben bzw.Druckzellenvolumens die
veränderliche Eindringtiere des Druckstempels in die Zelle zu berücksichtigen.
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Die hierzu angegebene Lösung ist besonders vorteilhaft, weil die Veränderung
des Zellenvolumens durch den ein dringenden Druckstempel selbsttätig erfaßt und
ohne weitere Meß oder Übertragungseinrichtungen vom Anzeige organ ferngehalten wird.
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Die letztgenannte Ausftlhrung der Erfindung kann insbesondere noch
dahin weitergebildet werden, daß der Verdrängerkolben als doppelseitig wirkender
Plunger ausgebildet @st, der mit einem Endabsohnitt in den Ausgleichszylinder und
mit seinem anderen Endabschnitt in einen ebenfalls mit dem Druckmittel beaufschlagten
Gegendruckzylinder eingreift. Durch diese Anordnung wird eine vollständige Druckentlastung
des Verdrängerkolbens erreicht, so daß die Verbindung zwischen diesem und des Druck
stompel auch belin Eindringen des letzteren in die Druckzelle praktisch kräftefrei
bleibt und keinen das Ergebnis der Volumenmessung beeinträchtigenden Verforimingen
unterliegt.
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Außerdem ermöglicht diese Anordnung vortellhafte konstrukt ive Einfachheit.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung einer PrU£presse zur Untersuchung von Bodenproben als Ausführungsbeispiel
der Erfindung hervor, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Hierin zeigt Fi. 1
einen Längsschnittder Druckzelle mit Proben halterung und Druckstempel, Fig. 2 einen
Teilschnitt der Druckwelle nach Fig. 1 im oberen Bereich derselben Fig. 3 die Anordnung
des Verdrängerkolbens mit Ausgleichs- und Gegendrudzylinder im Längsschnitt.
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Fig. 4 einen Querschnitt der Druckzelle nach Fig, 1 mit Blickrichtung
nach unten auf die Sockel befestigung, Fig. 5 einen tängsschnitt einer anderen Ausführung
der erfindungsgemäßen Druckzeile und Fig. 6 ein Blockschaltbild der hydraulischen
Messeinrichtung fUr die erfindungsgemäße PrUf presse.
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Nach Fig, 1. besteht die Druckzelle 1 aus einem Zylindermantel 15
mit oberem Verscblußdeckel 16 und unterer Sockelplatte 11.
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Beide Verschlußelemente sind lösbar mit dem Zylindermantel 15 verbunden,
und zwar Verschlußdeckel 16 mit eingeschraubten Radialbolzen 17 und Sockelplatte
11 mittels angeschraubtem Flansch 16 des Zylindermantels. Die Sockelpiatte 11 weist
außerdem einen Zentrierrand 19 rUr den Zylindermantel 15 auf.
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An beiden Seiten des Zylindermantels sind Weichdichtringe 20 bzw.
21 21 zu den Verschlußelementen angeordnet. Die Radialbolzen 17 sind mit verlängerten
Rändelabschnitten 17a vorsehen, die gleichzeitig als Handgriffe zum Transport der
Druckzello dienen.
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Auf der Oberseite der Scckelplatte 11 ist eine Zentrierhalterung in
Form eines Gewindestutzens 14 vorgesehen, auf welchen eine urere Probenhalterung
in Form einer Druckplatte 12 aufgeschraubt ist. Letztere trägt eine Filterplatte
22, die Uber einen Zentralanschluß 13 im Gewindestutzen 14 mit Druckflüssigkeit
beaufschlagt werden kann, Dadurch lassen sich die für Bodenproben erforderlichen
Versucheverhälttnisse einstellen.
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Die angegebene Zentrierhalterung ermöglicht das Einsetzen von unterschiedlichen
Probenaufnahmen mit Druck und Filterpiatten unterschiedlichen Durchmessers. Außerdem
können ggf. unter förmige Hüllen für den probenkörper eingesetzt wercten. Für das
Auswechseln der Proben mit den unterschiedlichen Aufnahmevorrichtungen läßt sich
der Zylindermantel 15 leicht von der Sockelplatte 11 abnehmen@
Auf
der Oberseite des Verschlußdeckels 16 ist eine Flansohhtilse 23 aufgeschraubt, in
welcher ein Druckstempel 2 mittels Rolbn führung 10 längsverschiebbar gelagert ist.
Ferner ist in der Flanschhülse 23 eine napfförmige Rollmembran 7 angeordnet, die
mit ihrem verstärkten Außenrand 24 zwischen dem Flansch der Hülse 23 und dem Verschlußdeckel
16 einge@emmt und mit ihrem Innenrand 25 zwischen zwei Längsabschnitten des Verdrängerkolbens
2 eingespannt ist. Die Rollmembran 7 findet freie Bewegungsmöglichkeit in einem
Ringspalt 26 zwischen Flanschhülse 23 und Verdrängerkolben 2 und sorgt für praktisch
kräftefreie Abdichtung der Druckstempeldurchführung. An der Unterseite greift der
Druckstempel mit einem Kugelzapfen 27 in eine entsprechende Kalotte einer oberen
Druckplatte 28 fUr den Probenkörper ein.
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Bei der Versuchsdurchführung wfmld die Druckzelle Uber eine Anschlußleitung
3 in der Soekelplatte 11 Uber eine nicht darge stellte Zufuhreinrichtung mit Druckmittel
geftillt. Die Anschlußleitung 3 steht weiter mit einer ebenfalls nicht dargestellten
Druck und Volumenmeßeinrichtung, z.B. in Fnrm eines Ublichen Manometers mit U-Rohr
und längs einer Skala beweglichem FlUssigkeitsspiegel in Verbindung, Derartige Einrichtungen
sind in den hier in Frage kommenden Ausführungen allgemein beksnnt und bedürfen
keiner Erläuterung. Die Stauchung der Probe Uber Druckstempel 2 erfolgt mit einer
beliebigen, im vorliegenden Zusammenhang ebenfalls nicht dagestellten Antriebseinrichtung,
die am oberen Ende des druckstempels in einer Zentriereinsenkung 29 angreift Im
Druckstempel sind ferner noch Entlüftungsbohrungen
30 mit Ventilschraube
31 vergesehen.
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In Fig. 2 ist der obere Abschnitt der Druck zelle mit Druempel und
Längsführung sowie Abdichtung desselben im Teilschnitt dar gestellt;. Der Druckstempel
befindet sich hier in seiner oberen Endstellung, wobei eine Anschlagscheibe 32 des
Stempels mit dem Verschlußdeckel 16 in Berührung steht. Am oberen Schaftende 33
des Druckstempels 2 ist gemäß Fig. 2 eine Verstellbare Halterung 35 mit Klemmschraube
35a für ein Längenmessgerät angeordnet, mit welch letzterem die Stauchung und Verformung
der Probe bei Druckbelastung gemessen werden kann. Das Meßgerät selbst ist als an
sich Ublich nicht dargestellt.
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Ferner ist am Schaftabschnitt 33 ein Arm 34 mit Schelle 34a festgeklemmt,
@o@über der Druckstempel 2 mit selnan oberen Schaftabschnitt 33 gemäß Fig. 3 mit
einem Verdrängerkolben 4 . starr verbunden ist. Letzterer ist als doppelt wirkender
Plunger aus gebildet und greift mit seinem oberen Abschnitt in einen Aus gleichszylinder
5 ein, dessen Innenraum über einen Anschluß 36 in nicht näher dargestellter Weise
mit der Anschlußleitung 3 zu Volumenmeßgerät der Druckzelle in Verbindung steht.
Das untere Ende des Verdrängerkolbens 4 greift in einen Gegendruck zylinder 6 ein,
der mit dem Zuführdruck der Flüssigkeitsfüllung in der Druckselle 1 Uber Anschluß
37 beaufschlagt wird. Der Anschluß erfolgt hier zwischen Zuführpumpe und Volumenmeßgerät
vor der Anschlußleitung 3 der Druckzelle, so daß von den veränderlichen Innenvolumen
des Gegendruckzylinders 6 entsprechend
der jeweiligen Stellung
des Verdrängerkolbens 4 keine Wirkung auf das Volumenmeßgerät ausgeht.
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Die beschriebene Anordnung hat zur Folge, daß der Verdränger kolben
4 auf beiden Stirnseiten unter gleichem Druck steht und somit im Hinblick auf den
Bruck des Zelleninhalters kräftefrei verschiebbar ist. Die Abdichtung zwischen Verdrängerkolben
4 und Ausgleichs bzw. Gegendruckzylinder 5 bs. 6 ist durch Rollmembranen 8 bzw.
9 ebenfalls kräftefrei hergestellt.
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Die Verbindung zwischen Verdrängerkolben und Druckstempel Liter Arm
34 UM Gestänge 34a überträgt also nur unwesentliche Kräfts, um Gleichlauf zwischen
Druckstempel Und Verdrängerkiben herzustellen. Der Verdrängerkolben ist außerdem
im Querschnitt entsprechend dem Druckstempel bemessen, so daß bei Eindringen des
letzteren in die Druckzelle im Ausgleichszylinder 5 Uber Anschluß 36 genau diejenige
Flüssigkeitsmenge aufgenommen wird. welche in der Druckzelle duroh das Eindringen
des Druck stempels Verdrängt wird. Für das aus Druckzelle einerseits und Ausgleichszylinder
5 andererseits bestehende Flüssigkeitssystem tritt also bei beliebiger Bewegung
des Druckstempels 2 insgesamt keine Volumenänderung aui. Das an die Leitung 3 angeschlossene
Volumenmeßgerät zeigt demgemäß lediglich die Volumenänderung der in der Druck zelle
befindlichen Probe an.
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Die Verformung der Druck selbst geht ebenfalls nicht in die Volumenmessung
während der Versuchsd@@chführung ein, sofern mit konstantem Innendruck gearbeitet
wird. Die Rückwirkungsfreiheit zwischen dorn Gegendruckzylinder 1 und de
Volumenmessgerät
bz-*f. Anschlußleitung 3 karm ar. durch geeignete Drosselwirkung zwischen der Einmündung
der Leitung von Anschluß 37 in das Druckmittelsystem einerseits und dem Volumenmessgerät
an der Anschlußleitung 3 andererseits sichergestellt werden. Zweckmäßig wird das
VOlumenmeßgerät einerseits und der Gegendruckzylinder 6 andererseits angetrennte,
Jedoch unter gleichem Druck stehende Leitungen der Zuführpumpe angeschlossen.
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Gemaß Fig. 3 sind Ausgleichszylinder 5 und Gegendruckzylinder 6 zu
einer Baueinheit vereinigt und unmittelbar mit dem Verschlußdeckel 16 der Druckzeile
1 verbunden, wodurch sich einfacher Aufbau und gedrängte konatruktive Form des Gestänges
zwischen Druckstempel 2 und Verdrängerkolben 4 ergibt.
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In Fig. 4 ist die Sockelbefestigung des Außenmantels 15 der Druckzelle
dargestellt. Hierzu ist am unteren Rand des Außenmantels 15 ein ringförmiger Flansch
42 angesetzt, der in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze 43 aufweist. Letztere
entsprechen in der Breite ihren schmaleren Abschnitte 4> dem Schaftdurchmesser
der in den Sockel 11 eingeschraubten Kopfbolzen 44 und in ihrer vergrößerten Endbohrung
43b dem Kopfdurchmesser dieser Bolzen. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann der Außenmantel
nach Art einer Bajonettverbindung am Socke, befestigt und von diesem gelöst werden.
Nach Abnehmen des Außenmantels ist die Probe von allen Seiten frei zugänglich,
wodurch
das Einsetzen und Auswechseln der Probe erleichtert wird.
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Die in Fig. 5 dargestellte Drucks weist eine abweichende Befestigung
des Außenmantels 38 auf, während Sockel 11 mit Probenhalterung und Druckstempel
2 sowie die Mbßoinrichtung grundsätzlich wie bei der vorangehenden AusfUhrung ausgebildet
sein können. An der oberen und unteren Stirnöffnung der Druckwelle sind scheibenförmige
Abschlußelemente 39 bzw. 40 angeordnet, die in den zylindrischen Außen ma@ntel 38
eingreifen und gegen dessen Innenfläche mit Dichtungen 58 bzw. 59 versehen sind.
Die beiden Abschlußelemente, dessen unteres mit der Sockelplatte 11 verbunden ist,
sind durch Stangen 41 miteinander verbunden und zu einem starren, vom Außenmantel
38 getrennten Gestell verbunden. Die Dichtungen 58 und 59 sind schubspannungsarm
ausgebildet, z.B. als Weichdichtringe oder dgl., und gestatten bei entsprechender
Gleitpassung der Abschlußelemente 39, 40 im Außenmantel 38 dessen praktisch freie
Verschiebbarkeit in Zylinderachsrichtung. Dadurch ist sichergestellt, daß die Zugkraft
zwischen den Abschlußelementen 39, 40 infolge des Innendruckes der Zelle nicht aur
den Außenmantel 38 übertragen, sondern lediglich von den Stangen 41 aufgenommen
wird. In der Druckzelle ist also eine Trennung zwischen den Bauteilen zur Aurnahme
von Axialspanungen einerseits und Radial- bzw. Tangentialspannungen andererseits
herbeigefUhrt.
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Sowohl im Außenmantel 38 wie auch in den Stangen 41 ergeben sich
dadurch besonders einfache, im wesentlichen einachsige Spannungszustände, die eine
genaue und einfache rechnerische Erfassung ermöglichen. Die angegebene Druck zelle
kann daher auch bei veränderlich- Innendruck zur genauen Messung des Probenvolumens
benutzt werden. Hierftir kann eine Korrekturtabelle für die scheinbare Änderung
des Probenvolumens in Abhängigkeit vom Innendruck autgestellt werden.
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In Fig. 6 ist der Hydraulikechaltpblan einer eriindungsgemässen PrUrpresse
schematisch angedeutet. Die Druckzelle 1 mit Probe 54 und Druckstempel, 2 entspricht
der erläuterten Ausführung nach Fig. 1. Der Druckstem#pel 2 ist in der ebenfalls
beschriebenen Weise mit dem Verdrängerkolben 4 verbunden, der auf beiden Seiten
in den Ausgleichszylinder 5 bzw. den Gegendruckzylinder 6 eintaucht. Die Zelle wird
Uber Anschlusa 3 mit Drucknuasigkeit beaufschlagt, während Uber ANschluss 47 und
leitung 55 innerhalb der Druckwelle die in diesen Fall mit einer besonderen Ummantelung
versehen Probe 54 mit Porendruckwasser beaufwschlagt werden kann. An der Probenunterseite
ist dementsprechend Uber Leitung 56 ein Druckmessgerät 46 für das austretände oder
ein kretende Porenwasser angeschlos@en. Die DruckflUstgkeit für die Zellenfullung
wird mittels Dreiwegventils 48 umschaltbar entweder von einer Druckleitung 50 oder
einem Druckflüssigkeitsbehälter 57 zugeführt. An der Druidoltung 50 ist
ferner
ein Druckregler 61 sowie ein Manonmeter 49 angeschlossen Die Flüssigkeitszufuhr
erfolgt weiter Uber Leitung 53 sowie eine Volumenmesskapilare 45 und Anschluß 3
zur Druckzelle 1. In der Kapila#re wird das Volumen der in die Zelle eintretenden
bzw. diese verlassenden Flüssigkeit in bekannter Weise gemessen. Der Aus1eichazylinder
5, dessen Innenvolumen sich infolge der Bewegung des Verdrängerkolbens 4 gegensinnig
zu der Volumenänderung der Zelle 1 infolge des @intauchenden Druckstempels 2 ändert,
ist über Zeitung 52 mit Anschluß .3 verbunden'.
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In der Meßkapilare 45 wird demgemäß nur die Volumenänderung der Zelle
unabhängig von der Stellung des Druckstempels 2 erfaßt. Der Gegendruckzylinder 6,
der für Druckentlattung des Verdrängerkolbens X sorgt, ist unmittelbar mit Leitung
53 verbunden und steht so unter dem gleichen Druck wie der Ausgleichszylinder 5,
ohne daß die zum Ausgleichszylinder 5 gegenläufige Flüssigkeit i tsverdrängung in
der Meßkapilare 45 wirkam wird.