DE2106192A1 - Meßeinrichtung zum Ermitteln von Kraf ten, vorzugsweise der Ausbaustutzkrafte im Bergbau - Google Patents

Description

G. M. B. H.
VERSUCHSBETRIEBE DER BERGBAU-FORSCHUNG

43 ESSEN,

FRILIENDORFER STRASSE

P 58/7o Stl/Ar.

"Meßeinrichtung zum Ermitteln von Kräften, vorzugsweise der Aushaustutzkräfte im Bergbau"

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zum Ermitteln von Kräften, vorzugsweise der Ausbaustützkräfte im Bergbau, wobei die Verformung eines Druckkörpers als Kraftmaßstab dient.

Die in einem Grubenausbau auftretenden Kräfte können bekanntlich durch zwischen Ausbau und Gebirge oder zwischen kraftschlüssig miteinander verbundenen Ausbauteilen angeordnete sog. DruckmeEdosen ermittelt werden. Diese sind Stahlbehälter, die einen mit Flüssigkeit gefüllten Raum enthalten, der von einer Membran abgeschlossen wird, die sich bei äußerer Krafteinwirkung auf den Behälter verformt. Der angezeigte Flüssigkeitsdruck ist bei sentrischem Kraftangriff ein unmittelbares Maß für die Zoisbaustützkraft an der Meßstelle. Bei diesen Druckmeßdosen ist vor allem nachteilig, daß sie bei exzentrischer Belastung ungenau sind. Sie worden häufig sogar beschädigt oder zerstört, wenn größere Abweichungen der Krafte.i η ."leitung von der Normaler. auftreten. Dadurch wer. do η Verfälschungen der Meßwerte ver--

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ursacht bzw. man erhält gar keine Ergebnisse. Ein weiterer Nachteil ist, daß diese Druckmeßdosen verhältnismäßig kompliziert aufgebaut und außerdem vergleichsweise teuer sind, was ihre Anwendung, insbesonder unter Bergbaubedingungen, weiter einschränkt.

Eine andere unter Tage verwendete Meßeinrichtung, die sog. Stempeleinschubpresse, die im Deutschen Gebrauchsmuster 1 897 öl2 beschrieben ist, ist hinsichtlich ihres beträchtlichen Gewichtes und des erforderlichen hohen meßtechnischen Personalaufwands nur in bestimmten Fällen anwendbar. Insbesondere können damit jeweils nur Augenblickswerte der Ausbaustutζkraft ermittelt werden. Mehrfache Messungen am gleichen Ort und unter unveränderten Bedingungen sind damit nicht möglich. Die Stempeleinschubpresse ist auch nicht für alle Ausbauformen geeignet, z.B. nicht für den Bogenausbau in Strecken.

Der Anwendung der in der allgemeinen Meßtechnik bekannten und gebräuchlichen Spannungs-Dehnungs-Meßverfahren im Bergbau stehen einmal sicherheitliche Erwägungen entgegen (eingeschränkte Zulassung elektrischer Betriebsmittel unter Tage), aber auch die praktische Ausführbarkeit solcher Messungen ist wegen der widrigen üntertageverhältnxsse (Korrosionsgefahr durch Wasser oder Salzpaste; Beeinträchtigungen durch Staub) nur sehr begrenzt möglich.

Aus der Werkstoffprüfung sind schließlich Druckkörper aus Metall hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze (Kalotten-Meßei) bekannt, die zur Eichung von Werkstoff-Prüfmaschinen dienen. Die elastische Verformung des Körpers dient dabei als

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Kraftmaßstab. Das Maß der Verformung kann mittels Meßuhr mechanisch, mittels Spiegel oder Mikroskop optisch oder mittels kapazitiver oder induktiver Anordnung elektrisch bestimmt werden. Die praktische Verwendung solcher Druckkörper und Meßgeräte stößt unter Tage im Prinzip auf die gleichen Schwierigkeiten, wie bereits bei den Spannungs-Dehnungs-Meßverfahren erörtert worden ist.

Nach allem sind die bisher bereits unter Tage verwendeten ebensowenig wie die übrigen aufgeführten bekannten Meßeinrichtungen dazu geeignet, die im Interesse vor allem der Orubensicherheit in zunehmendem Maße geforderten Untersuchungen über die Höhe und die Verteilung der Ausbaustützkräfte im Grubenausbau zu ermöglichen.

Dazu werden vielmehr gemäß der Aufgabe der vorliegenden Erfindung Meßeinrichtungen benötigt, welche die angeführten Nachteile der bekannten Einrichtungen nicht h?±>en, sondern vielmehr in größerer Zahl verfügbar, billig herzustellen und unempfindlich gegen Staub und Korrosion sind, geringe Abmessungen aufweisen und möglichst einfach aufgebaut sind, wobei die Anforderungen an die Meßgenauigkeit in der Mehrzahl der Fälle nicht übertrieben hoch gestellt v/erden, sondern den Erfordernissen der Praxis anpaßbar sein sollen.

Diese Aufgabe löst, die Erfindung durch eine Weiterentwicklung der an sich bekannten Druckkörper, deren Verformung als Kraftiuaßstab dient, und zwar dadurch, daß der Druckkörper aus einem homogenen druckfesten Material mit niedrigem Elastizitätsmodul gebildet ist und zwei im unbelasteten Zustand einander parallele ebene Begrenzungsflächen aufweist, dem Druckkörper zwei Druckplatten aus

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einem festeren Material zugeordnet sind, deren dem Druckkörper zugewandten ebenen Flächen im unbelasteten Zustand einander parallel sind und den Begrenzungsflächen des Druckkörpers anliegen, und die Flächen der Druckplatten größer als die Begrenzungsflächen des Druckkörpers sind.

Mit "einer derartigen Meßeinrichtung ist es nämlich möglich, die im Interesse der Grubensicherheit notwendigen zahlreichen Messungen mit geringstmöglichem Aufwand auszuführen, die sich bisher mit vertretbaren Kosten gar nicht realisieren ließen, die aber für die optimale Dimensionierung des Grubenausbaus erforderlich sind, um Unterhaltungskosten einzusparen und Ausbauverluste durch Überlastungen zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist einfach und billig herzustellen und kann vergleichsweise klein gebaut werden. Druckkörper und Druckplatten sind zudem gegen Staub und Korrosion praktisch unempfindlich.

Da bei solchen Messungen kein übertriebener Wert auf große. Meßgenauigkeit zu legen ist, genügt es im allgemeinen, das der auftretenden Kraft entsprechende Maß der Zusammendrückung des Meßkörpers größenordnungsmäßig zu bestimmen. Sie läßt sich bei der Einrichtung gemäß der Erfindung auf sehr einfache Weise, etwa mittels einer Schublehre, die den Abstand der Druckplatten voneinander einmal vor und einmal nach der Lastaufnahme ermittelt, messen, worauf anschließend ebenso einfach die absolute Kraft anhand einer für den leicht zu normenden Druckkörper vorher ermittelten allgemeinen Eichkurve für den jeweiligen Druckkörpertyρ bestimmbar ist. Damit wird jedoch nicht ausgeschlossen, daß auch Feinmessungen für Sonderzwecke mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung möglich sind, etwa durch Ablesen der Zusammendrückung mit verfeinerten

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Methoden und Eichung einzelner Druckkörper.

Die Verformung zylindrischer Druckkörper wird vorteilhaft durch Abstandsmessungen an den Druckplatten an drei jeweils etwa um 120° versetzten Stellen, die gleichweit vom Mittelpunkt des Druckkörpers entfernt sind, gemessen, um auch bei exzentrischer Kraftaufnahme einen gültigen Meßwert zu erhalten. Bei rechteckigen Druckkörpern kann es sich empfehlen, vier um 90° versetzte Meßstellen mit gleichem Abstand vom Druckkörper-Mittelpunkt zu wählen. Es ist deshalb zweckmäßig, daß die Flächen der Druckplatten jeweils die Begrenzungsflächen des Druckkörpern an mindestens drei gleichweit vom Mittelpunkt des Druckkörpers entfernten winkelsymmetrisch versetzten Stellen überragen.Es ist für Kraftmessungen unter Tage außerordentlich wichtig, weil die Kraftrichtung nur in den seltensten Fällen vorausbestimmbar ist, über solche exzentrisch belastbare Meßeinrichtungen zu verfügen. Bei den erfindungsgemäßen Druckkörpern sind exzentrische Kraftangriffe im Gegensatz atwa zu den bekannten Druckmeßdosen, bei denen etwa 5 bis 10 Abweichung des Kraftangriffs von der Normalen noch so eben tragbar sind, ohne weiteres möglich, wie leicht einzusehen ist.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gedankens ist es möglich und kann es sich in besonders gelagerten Fällen als kostensparend empfehlen, daß eine oder beide Druckplatten von im unbelasteten Zustand parallel zueinander angeordnete ebene Flächen aufweisenden Ausbau'ceilen unmittelbar gebildet sind. Dies ist beispielsweise für Messungen an Türstockausbau leicht zu verwirklichen.

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Die Druckkörper werden zweckinäßigerweise aus Kunststoff, vorzugsweise aus Polyamiden, z.B. Polycaprolactara oder Polycondensationsprodukten aus Adipinsäure und Hexamethylendiamin, oder aus guimnielastischen Stoffen, z.B. Butadienpolyraerisäten, Butadienmischpolymerisaten, synthetischem Kautschuk auf Butadien-Acrylnitrilbasis oder Chlorkautschuk, hergestellt. Das hat den Vorteil, daß die Homogenität des Druckkörpers gewährleistet ist, die Herstellung in großer Stückzahl unproblematisch ist und eine vergleichsweise billige Fertigung möglich ist. Bei den Druckkörpern braucht aus Kostengründen auf eine Wiedergewinnbarkeit weniger Rücksicht genommen zu werden, als z.B. bei herkömmlichen Druckmeßdosen. Ferner entfällt die bei letzteren in bestimmten Abständen nötige Nacheichung.

Anstelle des jeweiligen Ausmessens der Abstände zwischen den Druckplatten mittels Schublehre kann es sich empfehlen, die Druckplatten mit Abstandsanzeigern auszurüsten, die bei Bedarf nur noch abgelesen zu werden brauchen.

Der Druckkörper der Meßeinrichtung wird zweckmäßigerweise zylindrisch ausgebildet, da dies eine drucktechnisch günstige Form ist. Er kann aber auch, beispielsweise wenn dies herstellungstechnisch Vorteile bietet, als gerades Prisma ausgebildet sein.

Zur besseren Handhabung kann es sich empfehlen, die Druckkörper fest mit den Druckplatten zu verbinden.

Vorteilhafterweise werden die Druckkörper der besseren Führung oder Halterung wegen in Ausnehmungen einer oder beider Druckplatten eingelegt oder darin befestigt.

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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung kann der Druckkörper aus mehreren parallel zu den Druckplatten angeordneten Scheiben untereinander gleicher Abmessungen gebildet sein, die aus unterschiedlichem Material bestehen. Die einzelnen Scheiben lassen sich auf diese Weise nämlich so auslegen, daß jeder Scheibe ein bestimmter Festigkeitswert zugeordnet ist, bei dessen Überschreitung ein Bruch dieser Scheibe eintritt. Auf diesem Wege wird angezeigt, welche maximale Belastung an einer Meßstelle vorliegt oder vorgelegen hat, wenn gar keine Scheibe oder eine oder mehrere zum Zeitpunkt der Meßwertbestimmung zerstört sind.

Es ist auch möglich, wenn dies aus fertigungstechnischen Gründen vorzuziehen ist, Scheiben aus dem gleichen Material zu verwenden, aber unterschiedlich dick zu wählen, um verschiedene Festigkeitswerte vorgeben zu können.

Um zu vermeiden, daß die Meßwerte verfälscht werden, wenn nach dem 3ersten einer Scheibe Material wegfließt, empfiehlt es sich, diese scheibenförmigen Druckkörper zylindrisch auszubilden und mit einem rohrförmigen, einschiebbaren Körper zu umschließen und zu führen.

Zur Vergleichmäßigung der Druckübertragung können zwischen den Druckplatten und dem Druckkörper Zwischenlagen aus einen» Material mit niedrigem Elastizitätsmodul angeordnet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

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Fig. 1 zwei nebeneinander angeordnete Meßeinrichtungen gemäß der Erfindung, wobei der Druckkörper einmal im unbelasteten und einmal im belasteten Zustand im Aufriß dargestellt ist.

Fig«,* 2 einen Querschnitt durch den Druckkörper und Draufsicht auf die untere Druckplatte,

Fig. 3 in Längsschnitt einen in die Druckplatten eingelassenen Druckkörper,

Fig. 4 einen mehrschichtigen Druckkörper in Längsschnitt und

Fig. 5 dan Gegenstand der Fig. 4 ebenfalls in Längsschnitt mit einem den Druckkörper umschließenden rohrförmigen Körper.

Dar in Fig» 1 einmal in unbelastetem und einmal in belastetem Zustand dargestellte Druckkörper 1 mit einer ebenen oberen 11 und einer im unbelasteten Zustand dazu parallelen ebenen unteren Begrenzungsflache 12 ist zwischen zwei Druckplatten 2 angeordnet, die im unbelasteten Zustand einander parallele ebene Flächen 21 _f 22 aufweisen. Bei Belastung des Druckkorpcrs verkürzt sich der Abstand 1 stoischen den Flächen 21, 22 der Druckplatten 2 um das Maß2^1. Das Maß/^l entspricht jeweils einer bestimmten in Richtung der Normalen auf den Druckkörper 1 ausgeübten äußeren Kraft. Vor ihrem Einsetz werden, je nachdem, mit w&lcher Genauigkeit eine Messung durchgeführt werden soll, ein Probedruckkörper 1 cder mehrere für ein gattsas Kollektiv, oder aber auch jeder ein.s-Blne Druckkörper i probcbelastofc nnd daraus die erforderlichen Bichkiiicven für de:i Kr a £h:aaI;£^:Lab ^G-'geniludcr UJIg₄A* I anfge^

BAOORK34NAL

erfolgt durch Messen des AbStandes zwischen den Berührungsflächen 21, 22, und zwar einmal im unbelasteten (1 ) und einmal im belasteten Sustand(I₁) und BiI-dung der Differenz.

Die Messung kann in einfacher Weise mittels Schublehre, Meßuhr oder dergleichen vorgenommen v/erden. Diese einfache Meßmethode ist vor allem dann vorzuziehen, wenn eine oder beide Druckplatten 2 ebene Ausbauteile sind, z.B. der Fuß einer aus Schienenprofil gebildeten Türstockkappe (diese Möglichkeit ist in der Zeichnung nicht dargestellt). Ebenso ist im Beispiel nicht dargestellt, da3 die Druckplatten 2 in geeigneter Weise an Gestein oder an Ausbauteilen befestigt werden können. In der Regel ist es jedoch zweckmäßig, wie dies in Fig. 1 und 2 angedeutet ist, Abstandsanzeiger 31, 32 _f die entsprechende Meßmarken aufweisen können, an aen Flächen 21, 22 der Druckplatten 2 anzubringen und die Längenwertänderung Z\ j. unmittelbar abzulesen.

Unter Tage und besonders bei Ausbaustützkraftmessungen kann es sich, wie Fig, 1 und 2 zeigen, empfehlen, mindestens drei Abstandsanzeiger 31, 32- im gleichen Abstand vom Mittelpunkt des Druckkörpers 1, die zweckmäßig unter einem Winkel von etwa 12o angeordnet v/erden, vorzusehen, um bei der in den meisten Fallen exzentrischen Belastung des Druckkörpern L dessen mittlere Zusammendrückung in Längsrichtung, das mittlere Ai feststellen zu können, um darauü viederu::i auf die aiictiere Belastung schließen ζ·λ körmen. Bsi Druckkörpern L und Druckplatten 2 mit rechteckigem Querschnitt {in der Zeichnung nicht dargestellt) könrior. auch vier Abstindsanzeigar verwendet werden, die ebenfalls vjinkeicyiiimetrisch und in gleichen Abständen vom Mittelpunkc des üruckkürpers 1 anzuordnen wären.

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^/υΛΟί3 ΒΛΟ ORIGINAL

Die Druckplatten 2 können, wie in Fig, 3 dargestellt ist, Jusnehraungen 4 haben, in die die Druckkörper 1 eingelegt sind oder in denen sia befestigt sind, damit die Einheit Druckkörper 1 und Druckplatten 2 leichter zu handhaben ist und die Druckkörper 1 geführt v/erden. Die Führung kann aber auch auf andere Weise gewährleistet werden, z. B. durch nockenförmige, zentrisch angeordnete Körper 39, die an den Druckplatten 2 befestigt sind und in entsprechende Vertiefungen in den Flächen II, 12 des Druckkörpers 1 eingreifen.

In Fig. 4 ist ein Druckkörper abgebildet, der aus scheibenförmigen Einzelkörpern la, Ib, lc, ld, le zusammengesetzt ist; die jeweils eine andere Druckfestigkeit haJoen. Die Teildruckkörper la bis Ie sind jeweils so bemessen, daß sie jeweils bei einer anderen vorgegebenen Belastung zerbrechen. Dem Meßwertnehmer wird so angezeigt, v/eiche maximale BeJ.astung bxs zum Zeitpunkt des Messens an der Meßstelle aufgetreten ist, wenn einer, zwei, oder drei der scheibenförmigen Druckkörper la bis Ie zerstört sind. Derartige nicht ein zweites Mal wiederverwendbare Meßeinrichtuncfßn sind beispielsweise zur Ermittlung der Kräfte geeignet, die in Holz- oder Bergepfeilern auftreten, die eine ständig zunehmende Lastaufnahme haben.

Um zu vermeiden, daß durch die bereits zerstörten Schichten das Meßergebnis verfälscht wird, können, v/ie Figur 5 zeigt/ die Druckkörper la bis Ie durch einen rohrförmigen Körper 9 geschützt, werden, dsr seinerseits der Konvergenzbewegung der Druckplatten 2 dadurch ausweicht, daß er einschiebbar ausgebildet ist.

Durch Zwischenlagen 4o aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul, die zwischen den Druckplatten 2 und dem Druckkörper 1 (im Beispiel den Druckkörpern la und Ie) angeordnet sind, läßt sich eine Vergleichmäßigung der Krafteinleitung von den Druckplatten 2 auf die Druckkörper erzielen

Patontansprürum -

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Meßeinrichtung zum Ermitteln von Kräften, vorzugsweise der Ausbaustützkräfte im Bergbau, wobei die Verformung eines Druckkörpers als Kraftmaßstab dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkörper (1) aus einem homogenen druckfesten Material mit niedrigem .Elastizitätsmodul gebildet ist und zwei im unbelasteten Zustand einander parallele ebene Begrenzungsflächen (11, 12) aufweist, dem Druckkörper (1) zwei Druckplatten (2) aus einem festeren Material zugeordnet sind, deren dem Druckkörper (1) zugewandten ebenen Flächen (21, 22) im unbelasteten Zustand einander parallel sind und den Begrenzungsflächen (11, 12) des Druckkörpers (1) anliegei'i, und die Flächen (21, 22) der Druckplatten(2) größer als die Begrensungsflächen (11, 12) des Druckkörpers (1) sind.

   Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (21, 22) der Druckplatten (2) jeweils die Begrenzungsflächen (11, 12) des Druckkörpers (1) an mindestens drei gleichweit vom Mittelpunkt des Druckkörpers (1) entfernten, wirJcelsyiametrisch versetzten Stellen überragen.

   Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine oder beide Druckplatten (2) von iia unbelasteten Zustand parallel zueinander angeordnete ebene Flächen (21,- 22) aufweisenden Ausbauteilen unmittelbar gebildet, sind.

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   4. Druckkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzei^chiiet, daß er aus Kunststoff, vorzugsweise aus Polyamxden, z. B. Polycaprolactam oder Polycondensationsprodukten aus Adipinsäure und Hexamethylendiamin_r cder aus gumiuielastischen Stoffen, z. B. Butadienpolymer:säten, Butadienmischpolymarisaten,. synthetischem Kautschuk auf Butadien-Acrylnitrilbasis oder Chlorkautschuk, gebildet ist.

   5. Meßsinrichtung nach den Ansprüchen I bxs 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatten (2) mit Abstandsanzeigern (31, 32) ausgerüstet sind,

   6. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet _r daß der Druckkörper (1) zylindrisch ausgebildet ist.

   7. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, da3 der Druckkörper (1) als gerades Prisma ausgebildet ist,

   ε. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet . daß der Druckkörper (1) fest mit den Druckplatten (2) verbundan ist.

   9. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkörper (l)in Ausnehmungen (13, 14) einer cder beider Druckplatten (2) eingelegt oder darin befestigt ist.

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   10. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkörper

   (1) aus mehreren parallel zu den Druckplatten (2) angeordneten Scheiben (la bis Ie) untereinander gleicher Abmessungen gebildet ist, die au« unterschiedlichem Material bestehen.

   11. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkörper (1) aus mehreren parallel zu den Druckplatten (2) angeordneten Scheiben (la bis Ie) verschiedener Stärke aus dem gleichen Material gebildet ist.

   12. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, G, 8, Io und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Druckkörper (1) von einem rohrförmigen Körper (9) umschlossen und geführt ist und der rohrförmige Körper (9) einschiebbar ist.

   13. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3,6,8 und Io bis 12, dadurch_ gckemizoIchnet, daß zwischen den Druckplatten .(2) und dem Druckkörper (3.) Zwischenlage!! ί-lo) aus einem Material miu nied Elastizitätsmodul angeordnet sind..

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