DE19854062C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung und Protokollierung der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung und Protokollierung der Vorspannkraft bei SchraubverbindungenInfo
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Abstract
Vorliegende Erfindung beschreibt ein System zur Ermittlung der Vorspannkraft von Schraubverbindungen während des Anziehvorgangs mit kapazitiver Meßsensorik. Des weiteren verfügt es über Eigensystemtestmöglichkeiten und Schraubsystemanalyse, mit der Möglichkeit der Schraubersteuerung oder Schrauberregelung.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen.
Bei Schraubverbindungen können je nach Auswahl des gewählten Anziehverfahrens
z. B. hydraulisch, drehmomentgesteuert, impulsgesteuert, streckgrenzengesteuert,
usw.., die Anziedrehmomente erheblich von der einzustellenden Vorspannkraft
abweichen. Bei Sicherheitsrelevanten Anlagen, beispielsweise bei Turbinen
verschraubungen oder in Kernkraftwerken, ist eine möglichst genaue Einhaltung der
Vorspannkraft gefordert und eine Protokollierung des Anziehvorgangs oftmals
gewünscht. Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen relativ kostenaufwendige
Sensoren und aufwendige Meßverfahren eingesetzt werden. Bekannt sind hierfür
Systeme, die nach folgenden Verfahren arbeiten:
- - Ultraschall
- - DMS im vorzuspannendem Bolzen
- - Piezoelektrische Druckmesszellen
- - Druckmesszellen mit DMS oder Öldruck
- - Strommessung bei Elektroschraubern
- - Öldruckmessung bei Hydraulikschraubern
- - Drehwinkelgesteuertes Anziehen
- - Spannscheiben
entsprechend:
- 1. DE 44 33 688 A1
- 2. EP 0 523 026 A2
- 3. EP 0 766 077 A1
- 4. EP 0 589 778 A1
- 5. DE 44 45 389 A1
Alle diese Vorrichtungen und Verfahren sind aus bauartbedingten Gründen relativ
teuer oder aus technischen Gründen sehr aufwendig oder sehr ungenau.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Vorspannkraftermittlung zu
erstellen, das über akzeptable Genauigkeit
verfügt, Systemtestmöglichkeiten bietet und preislich akzeptabel ist und eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die einen einfachen
Aufbau aufweist.
Vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen
Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen kapazitiven Sensor, der bei torsionsarmen
Verschraubungstechniken angewendet wird.
Fig. 2 die Draufsicht des Sensors nach Fig. 1.
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen kapazitiven Sensor, der bei Verschraubungs
techniken mit hohen inneren Torsionsmomenten eingesetzt wird.
Fig. 4 die Draufsicht des Sensors nach Fig. 3.
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen kapazitiven Sensor, der bei der Montage
zwischen der Mutter und den zu vespannenden Teilen angeordnet ist.
Fig. 6 einen Querschnitt durch einen kapazitiven Sensor, der bei der Montage
zwischen dem Schraubenkopf und den zu verspannenden Teilen ange
ordnet ist.
Fig. 7 das Blockdiagramm der Mikroprozessoreinheit.
Fig. 8 das Blockdiagramm der Signalverbindungseinheit.
Fig. 9 der graphische Verlauf der Vorspannkraft bei ordnungsgemäßen Schraub
vorgang.
Fig. 10 der graphische Verlauf der Vorspannkraft bei Schraubenbruch.
Fig. 11 der graphische Verlauf der Vorspannkraft bei elektrischer Unterbrechung
des Sensorstromkreises.
Fig. 12 der graphische Verlauf der Vorspannkraft bei Kurzschluß des Sensors oder
der Sensorleitung. Es handelt sich hierbei um ein mikroprozessorgesteuertes Meßverfahren und eine
Vorrichtung mit meßdatengestützter Selbst- sowie System-Fehlerkennung und Möglichkeit der
Prozessteuerung, zur Ermittlung der Vorspannkraft mit kapazitiver Meßsensorik.
Fig. 1 und Fig. 2 beschreiben einen Sensor, welcher vorzugsweise in Verbindung mit
Bolzenbefestigungsmethoden anzuwenden ist, die torsionsfrei den Bolzen anziehen, wie
es beispielsweise Patent EP 0 836 015 A2 beschreibt. Die obere Druckscheibe (101)
ist mit der unteren Druckscheibe (102) mit den Abgleichschrauben (108) verbunden
und können gemeinsam, ein Potential für die zu messende Kapazität darstellen.
Zwischen den beiden Druckscheiben (101) und (102) befindet sich die untere (104)
und obere (105) Dielekrizitätsschicht, welche gemeinsam über ihre druckabhängige
Materialdicke ein direktes Maß für die jeweilige Vorspannkraft darstellen. Dazwischen
befindet sich der kapazitive Gegenpol (103), welcher aus einer dünnen leitfähigen
Schicht besteht. Zur Abschirmung gegen äußere Störgrößen und sicheren elektrischen
Verbindung sind die beiden Druckplatten (101) und (102) außen über einen Schirmring
(107), welcher in einer Isolationsschicht (106) gebettet ist und innen über einen
Schirmring (109) welcher in einer Isolationsschicht (110) gebettet ist, umgeben. Die
Anzahl und Ausführung der Abgleichschrauben (108) ist abhängig von der
Verschraubungstechnik und der Größe der zu erreichenden Vorspannkraft. Sie dienen
nicht nur der Parallelführung und Verbindung der beiden Druckplatten, sondern auch
zur Einstellung der Vorspannkraft, ab der die Messung beginnt, um definierte
Bedingungen zu gewährleisten und somit eine hohe Genauigkeit des Endwertes zu
erreichen. Die elektrische Verbindung des Sensors mit der Meßelektronik wird über
den Stecker (113) realisiert, der mit einen Kabel (111) und der Ausführungstülle (112)
elektrisch bzw. mechanisch verbunden ist und über eine Kontaktierung zu den
Druckplatten (101) und (102) bzw. zum Gegenpol (103) verfügt. Eine direkte
Implementierung des Steckers in eine der beiden Druckplatten (101) oder (102) ist
auch möglich.
Der Sensor (507) wird wie in Fig. 5 und Fig. 6 ersichtlich einfach zwischen den zu
verspannenden Teilen (501) und (502) und der Mutter (504) bzw. den Schraubenkopf
der Schraube (501) plaziert und verbleibt nach dem Anziehvorgang an diesem Ort. Ist
nur ein Aufbau wie in Fig. 5 ersichtlich möglich und kann nicht auf bolzentorsionsfreie
Anziehmethoden, wie es beispielsweise Patent EP 0 836 015 A2 beschreibt,
zurückgegriffen werden und sind sehr große Vorspannkräfte erforderlich, ist ein
Sensoraufbau, wie ihn Fig. 3 und Fig. 4 beschreibt, erforderlich. Um innere
Torsionsmomente und Reibkräfte, die über das Dielektrikum sowie starke
Scherbeanspruchungen, die an den Abgleichschrauben (108) bei hohen
Vorspannkräften anliegen, zu vermeiden, befindet sich an der oberen Druckplatte (303)
und an der unteren Druckplatte (304) z. B. eine Außenverzahnung, welche über den
Torsionsring (301) innere Torsionsbeansruchungen vermindert und das Meßergebnis
somit nicht verfälscht.
Das Mikroprozessor-System ist mit einer Standard-PC-Schnittstelle (707) für die
Übertragung der Meßdaten an den PC bzw. Laptop ausgerüstet. Somit ist eine
Protokollierung des Anziehvorgangs und eine Systemsteuerung des verwendeten
Schaubersystems, wie zum Beispiel hydraulisch, elektromechanisch, usw. vom
Rechner gesteuert möglich. Der Rechner kann die Mikroprozessoreinheit über seine
Schnittstelle (707) ansprechen und das Signal zum Sperren der Hydraulikflüssigkeit
oder Abschalten bzw. Druckregelung der Pumpe bei hydraulischen Systemen, sowie zu
einer Abschaltung oder Steuerung des elektrischen Antriebes bei Elektroschraubern
über das Interface (709) geben. Die Bedienung ist auch mit dem Eingabefeld (705)
des Mikroprozessorsystems möglich, dessen Eingabe und Systemstatus und Zustand
auf dem Display (702) sichtbar wird. Ist kein PC angeschlossen, so kann das
Mikroprozessorsystem Fig. 7 auch selbständig ("Stand alone" Fähigkeit) eine
Vorspannkraftermittlung durchführen. Das Display (702) gibt Aufschluß über die
jeweilige Vorspannkraft. Bei Erreichen des gewünschten und über das Eingabefeld
(705) eingestellten Endwertes wird eine akustische und/oder optische Meldung sowie
eine Abschaltung des entsprechenden Schraubers über das Interface (709) erfolgen.
Bei gleichzeitigem Anschluß mehrerer Schrauber und gewünschter Protokollierung der
Vorspannkräfte aller Schraubverbindungen über PC, können die Eingänge (711) des
Multiplexer (710) genutzt werden. Sollte die Anzahl der durch den Multiplexer zur
Verfügung gestellten Sensoren nicht ausreichen, so kann mit Hilfe des
Mikroprozessorinterface (708) mehrere Mikroprozessor-Sensor-Systeme Fig. 7 über die
Signalverbindungseinheit Fig. 8 verbunden und über die Standardschnittstelle (707) in
Fig. 7 die Verbindung zum PC hergestellt werden. Ein Meßprotokoll und
Analysesoftwareprogramm prüft während des Anziehvorgangs der Schrauben den
Vorspannungskraftverlauf auf Plausibilität. Hierdurch wird ein System und
Selbsfehlerkontrolle möglich. Fig. 9 zeigt einen normal verlaufenden Anziehvorgang
mit einem hydraulischen Schrauber. Die Bereiche (903), (905) und (907) sind die
Zeiten, an den der Kolben des Schraubers zurückfährt und der Schraubvorgang steht.
Im Bereich (901) kann bereits eine Drehung der Mutter erfolgt sein, ist jedoch bis zum
Erreichen der durch die Abgleichschrauben (108) voreingestellten Vorspannkraft (908)
nicht im Meßprotokoll ersichtlich. Die Bereiche (902), (904) und (906) kennzeichnen
den eigentlichen Schraubvorgang, der mit Erreichen des gewünschten
Vorspannkraftendwertes (909) endet. Ein Systemfehler der Schraubverbindung ist in
Fig. 10 im Bereich (1001) ersichtlich. Dieser Typische Kurvenverlauf kennzeichnet den
Bruch eines Bolzens, aufgrund eines Materialfehlers bzw. einer zu schwachen
Auslegung. Bei Erkennung des Fehlers stoppt der über die Mikrokontrollereinheit Fig. 7
angeschlossene Rechner sofort den Schraubvorgang und verhindert somit bei
Flanschverschraubungen ein unnötiges Verziehen der Flanschverbindung im
Mehrschrauberbetrieb. Meßsystemfehler können, wie in Fig. 11 ersichtlich, auch sofort
erkannt und gemeldet werden. Der Verlauf (1101) kennzeichnet hierbei eine kurze
elektrische Unterbrechung, im Verlauf (1102) wird sogar eine bleibende Unterbrechung
des Sensors zur Mikroprozessoreinheit Fig. 7, aufgrund der überhöhten negativen
Steigung und der Unterschreitung der minimal durch den Sensor bedingten Kapazität
erkannt. Fig. 12 kennzeichnet den typischen Verlauf eines Kurzschlusses (1202) auf
der Sensorleitung mit bleibender Brückung des Meßsensors, gekennzeichnet durch
eine Überschreitung des vom Sensors maximalen Endwertes (1201) und der
Überschreitung der maximal möglichen Steigung, die durch den Schrauber und seinen
Anschlußdruck bei hydraulischen Systemen, begrenzt und somit endlich ist. Der
Meßdatenverlauf und seine jeweiligen Steigungen sowie Über- und Unterschreitungen
von Bereichsgrenzen können somit zur sicheren Fehlererkennung und Behebung
herangezogen werden und ermöglichen eine akustische und/oder optische
Warnmeldung sowie einen Abbruch des Schraubvorgang.
Claims (8)
1. Verfahren zur Ermittlung der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen, wobei die
zu messende Vorspannkraft über eine Schichtdickenänderung von
Dielektrizitätsschichten und der daraus folgenden Kapazitätsänderung eines
kapazitiven Sensors bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte für die
Vorspannkraft einem Mikroprozessor-System zugeführt und dort protokolliert
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des
protokollierten Vorspannkraftverlaufs ein ständiger Plausibilitätstest zur
Überprüfung des kapazitiven Sensors und der Schraubverbindung erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß über die Schnittstellen
des Mikroprozessorsystems ein oder mehrere Schrauben gesteuert werden
können.
5. Anordnung zur Ermittlung der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen mit
einem kapazitiven Sensor (507) der zwischen den zu verspannenden Teilen
(502, 503) und der Mutter (504) angeordnet ist, bestehend aus:
- - einer oberen und einer unteren Druckscheibe (101, 102) die über Abgleichschrauben (108) verbunden sind,
- - einer unteren und einer oberen Dielektrizitätsschicht (104, 105) die sich zwischen den Druckscheiben (101, 102) befinden,
- - einem kapazitiven Gegenpol (103), der zwischen den Dielektrizitätsschichten (104, 105) angeordnet ist,
- - einem Schirmring (107), der die Druckscheiben (101, 102) von außen umgibt und der in eine Isolationsschicht (106) eingebettet ist,
- - einem inneren Schirmring (109), der die Druckscheiben (101, 102) innen umschließt und in eine Isolationsschicht (110) eingebettet ist,
- - Mittel (111, 112, 113) zur Verbindung des Sensors mit einem Mikroprozessorsystem.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei
Verschraubungen mit hohen inneren Torsionsmomenten ein Torsionsring (301)
eingesetzt wird, der die Druckscheiben (303, 304) außen umschließt und ihre
Verdrehung zueinander verringert.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der oberen
und unteren Druckscheibe (303, 304) eine Außenverzahnung befindet, die in
den Torsionsring (301) eingreift und so die innere Torsionsbeanspruchung
vermindert.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
eine beliebige Anzahl von kapazitiven Sensoren über ein Interface an das
Mikroprozessor-System angeschlossen werden können.
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