DE3429883A1 - Verfahren zur herstellung von maschinenelementen aus verstaerkten polymerbetonkonstruktionen zu statischer und dynamischer belastung - Google Patents

Verfahren zur herstellung von maschinenelementen aus verstaerkten polymerbetonkonstruktionen zu statischer und dynamischer belastung

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Description

Verfahren zur Herateilung von Haschinenelementen aua verstärkten Polymerbetonkonstruktionen zur atatiacher und dynamischer Belastung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elementen aua veratärkten Polymerbetonkonstruktionen, wobei die Elemente atatiacher und dynamischer Belaatung ausgeaetzt sind, und v/obei Stahl als Veratärkungamaterial verwendet wird.
Ea ist wohl bekannt, dass Polymerbetone seit mehr, als 20 Jahre in der Bauindustrie Verwendung finden· Im allgemeinen wird der Polymerbeton in einer dünnen Schichtatärke von max. 30 mm verwendet, insbesondere eis Korrosionschutz für herkömmliche Betone, zur Verbesserung der 3etonqualität, zur Sicherstellung der V'aasersperrigkeit der aua Beton verfertigten Objekte und an zahlreichen aonstigen Gebieten.
Es sind vereinzelte Versuche bekannt die PoIymerbetone als selbstständiges strukturelles "aterial zu verwenden. Aua denen i3t in erster Reihe die Verwendung al3 !.!aschinenfundament bekannt, wo die kurze Bindezeit und schwingung3dämpfende Wirkung des Polymerbetona vorteilhaft ausgenützt werden. Die wichtigste Schwierigkeit bei der Verwendung von Polymerbeton ala
selbständiges strukturelles Material besteht darin, daß unter Anwendung der bei den herkömmlichen Betonen bekannten Verstärkungselemente die übrigens erstklassige Festigkeitseigenschaften der Polymerbetone überhaupt nicht, bzw, nur in recht engen Betriebskreisen erhöht werden können. Der Grund dafür ist in dem bedeutenden Unterschied zwischen den V/ärmeausdehnungsfaktoren der Metalle und Polymerbetone - der gegebenenfalls Grössenordnungen beträgt - zu suchen. So z.B. beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient eines Stahls von durchschnittlicher Qualität 0,0115 mm/mK, während der lineare Ausdehnung der Polymerbetone - in der Abhängigkeit des Typs - 0,0170-0,150 mm/mK beträgt»
Ss ist ein wohlbekannter Umstand, daß während der Aushärtung der Polymerbetone eine bedeutende Wärmemenge freigegeben wird, wodurch während der Bindung erst eine Erwärmung, danach eine Abkühlung beobachtet werden kann.Clnt. J. Adhesion and Adhesives, 1982. April, 77) Ss ist leicht einzusehen, daß die sich daraus ergebende unerwünschte Wärmeausdehnung bzw. Kontraktion sich sprunghaft erhöht, wenn die Schichtdicke und die zur Verwendung kommende Masse erhöht werden (Kunststoffe . im Bau, 16/3, 126/1981)
Der Erfolg ist, daß bei der Verwendung der in der Bauindustrie üblichen inneren Stahlverstärkungselemente, infolge der unterschidlichen V/ärmeausdehnungsbeiwerte der Polymerbeton sich von dea. Stahl trennt, das Verhalten dea Verstärkungsmaterials und des Polymerbetons als ein mechanisches Kontinuum wird unmöglich, die Rolle des Verstärkungsmaterials kommt überhaupt nicht zur Geltung· Zahlreiche Versuche richteten sich auf die Beseitigung dieser Llangelhaftigkeit, so z.3. wurden gerippte Stähle verwendet, aber da3 gewünschte Resultat blieb aus; nan probierte verschiedene organische und unorganische Pasern al3 Verstärkimgsnaterial zu verwenden. Der Nachteil dieses letzterwähnten Verfahrens besteht darin, daß obzwar die mechanischen Charakteristi-
ken verbessert werden können, der Elastizitätskoeffizient einen ungünstig niedrigen '.Vert aufweist.
Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt die obenerwähnten Ilangelhaftigkeiten zu beseitigen bzw. ein Verfahren zu entwickeln, unter Anwendung dessen eine als homogenes mechanisches Kontinuum sich verhaltende Polymerkonstruktion ausgestaltet werden kann.
Der Erfindung wurde die Aufgabe augeteilt ein Verfahren zu realisieren, unter Anwendung dessen ein als strukturelles Material verwendbarer, atahlverstärkter Polymerbeton hergestellt werden kann, der die an die verschiedensten Poringebungen und Belastungsfähigkeit gestellten Forderungen weitgehend befriedigt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, indem der rolymerbeton in eine Stahlkonstruktion 30 eingefasst wird, daß der schon stahlverstärkte Polymerbeton in der Hinsicht seines Charakters sich als ein homogenes strukturelles LIaterial der Herstellung folgend verhalte und bei hohen Werten des Elastizitätskoeffizientea die 7/irkung der Stahlverstärkung vollkommen zur Geltung komme.
Bei dem einleitend beschriebenen Verfahren wird die gestellte Aufgabe so gelöst, indem als Verstärkungsmaterial eine äussere Schalenkonstruktion aus Stahl verwendet wird, die Schalenkonstruktion wird mit Polymerbeton ausgefüllt und man lässt den Beton aushärten.
Es scheint zweckmässig als Bindemittel des Polymerbetons Epoxy-, Urethan-, Polyester-, Furan-, Penol-Formaldehidharz oder deren Kombination zu verwenden, wobei als !füllstoff verschiedene Materialien mineralischer Herkunft, ',!ahlgut, Schotter verwendet v/erden.
Das erfindung3gemässe Verfahren wird anhand einiger Realisierungsbeispiele näher erläutert.
Im Laufe des erfindung3genä3sen Verfahrens wird die dem strukturellen Element entsprechende Schalenkonstruktion au3 dem als Verstärkungsnaterial zu verwendenden Jtahl mit lösbarem und/oder unlösbarem 7er-
bund ausgestaltet; die Schalenkonstruktion wird mit Polymerbeton ausgefüllt, den man aushärten lässt·
Als Bindemittel des Polymerbetons verwendet man Epoxy-, Urethan-, Polyester-, Furan-, Fenol-, Formaldehidharz oder deren Kombination, während als Füllstoff verschiedene Materialien mineralischer Herkunft, Liahlgut, Schotter usw. zur Verwendung kommen.
Das Verfahren wird anhand einiger konkreten Beispiele, zwecks besserer Begreifbarkeit mit Hilfe der Seichnungen ausführlich beschrieben. Es zeigen Figuren 1 bis 5 verschiedene, aus den erfindungsgemäss
hergestellten Polymerbeton verfertigte Prüfstücke;
Figur 6 die die statische Belastung und Einbiegung messende Vorrichtung; Figur 7 die Gestaltung der erfindungsgemäss
verfertigten Polynerbetonkonstruktionen. Beispiel 1
Aus der unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellten Polymerbetonkonstruktion werden der Gestelltisch und Ausschneidebrücke einer mechanische und hydraulische Kräfte übertragenden Ausschneidemaschine in der Schuhindustrie mit grosser -Tischfläche verfertigt CFigur 2). Die Stahlschalenkonstruktion und das Zellensystem v/erden in geschweisster Ausführung hergestellt. Die Schalenkonstruktion wird mit Polyesterbeton Clliketon J, Hersteller ITitrochemia, Ungarn) ausgefüllt, den nan aushärten lässt.
ITach 24 Stunden finden Feinbearbeitung,
Flächengestaltung und Montage des Tisches und der Brücke statt. Verglichen mit den traditionellen Ausführungen ist bei den derwei3e hergestellten Elenenten die Steifheit der Konstruktion um e.twa 4-0 ',Ό höher, die Hasse hingegen un 13,7 /j geringer, die Produktionskosten sind um 27,5 '.> niedriger.
Beispiel 2
Das Gestell von ICxz ent erpressen wird nach 3eispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, daß hier Polymerbeton des Typs TIPOX BB (ungarisches Produkt, Hersteller Tiszai Vegyi Kombinat, Leninvaros) zur Ausfüllung der Schalenkonstruktion verwendet wird. LIit der herkömmlichen Ausführungsweise verglichen sind die Produktionskosten um 20 bis 22 /S niedriger, die eingebaute Hasse bleibt annähernd univerändert,, die Steifheit des llaschinengestells ist das 'Doppelte, die schwingungsdämpfende Wirkung ist um etwa 70-80 c/o günstiger.
Beispiel 3
Herstellung de3 Gestells und Gegenstandstisches einer Präsmaschine
3s wird nach der Art und V/eise des Beispiels 1 verfahren, mit dem Unterschied, daß die zweckdienlich geplante Schalenkonstruktion mit einem Beton auf ?uran-Furolbasis Gunter dem Hamen Berol bekannt, Zement-Kalk-Gips, 20/2, 47/19673 ausgefüllt wird.
Die Steifheit des V/erkstückes, Apparates, LIaschine, 7/erkseugsystems wird durch die erfindungsgemässe Gestaltung vorteilhafter, dadurch wird die Arbeitskapazität der liaschine um 10 bis 15 f* erhöht, dabei v/erden Genauigkeit und Qualität der Plächenrauhigkeit sichergestellt.
Beispiel 4
Die Rahmenkonstruktion eines hydraulischen Hebe- und Hont age tische a v/ird auf die traditionelle Y/eise aus gewalztem Stahl mit grossen Querschnitt hergestellt. Unter Anwendung des erfindungsgenässen Verfahrens wird da3 geschlossene Profil mit dünner V/anddicke mit Polymerbeton der folgenden Zusammensetzung ausgefüllt:
100,0 Gewicht steile Araldit "Λ" Γ.οπρ. C -'Ier3telle*r
v)I3.·'.—j/]IGY, 2asel) 1C,O -ev/iclitnteile Jril'.thylsr.-retrcr-in
15,00 Gewichtsteile Quartznehl
20,00 Gewichtsteile Kalkmehl 300,00 Gewicht steile Basaltmahlgut 500,00 Gewichtsteile Basaltschotter
Llan lässt den Polymer bet on aushärten· Durch diese Lösung wird die laterale und transversale Stabilität der kraftübertragenden Elemente der I'ontage- und Hebetische ua 40 '/j erhöht.
ZeJ3?iel 5
Die Säule und rConsöle einer Radialbohrmaschine werden auf Art und ./eise nach Beispiel 1 verfertigt, mit dem Unterschied, daß die Steifheit und Schwingungsdämpfung des als Gäule dienenden koaxialen Rohrsystems durch Ausfüllung mit ITiketon 3 Polyesterbeton erreicht wird. ITach der Aushärtung des Betons wird eine Oberflächenhärtung mit Mittel- oder Hochfrequenz vorgenommen bzw. eine härtete Oberfläche durch Metallspritzen erzeugt. Die als Konsole dienende Schalenkonstruktion v/ird mit Polynerbeton auf Polyurethanharzbasis CProdukt Urex, Hersteller 3udalakk, Budapest) ausgefüllt, man lässt den Beton aushärten. Der besondere Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß bei einer reduzierten !.lasse Cum etwa 30 bis 40 #) die Konstruktion weniger empfindlich gegenüber Schwingung ist, wobei die zu der Gestaltung der verschleissbeständigen Flächenschicht erforderliche Energie - mit der traditionellen Lösung verglichen - um 30 bis 50 f$ verringert werden kann.
Beispiel 6
3ei der Herstellung einer Ausschneidemaschine für die Textil- und Holzindustrie wird folgenderweise verfahren. Die 3tahlschalenkonstruktion der al3 Brücke dienenden Elementes wird in zwei Schichten mit dem PoIymerbetonsysten ausgefüllt, undzwar so, daß S/lO-'Teile mit ?olimal-?olye3terbeton - und nach Erhärtung desselben - die übrigbleibenden 2/10-Teile mit rolinal- -Epoxybeton ausgefüllt werden CCchror.a Przed Korozja, 12/2, 37/1976).
Gleicherweise wird bei der Ausfüllung der ala Tisch dienenden Schalenkonstruktion verfahren. Die Schichten werden so aufgebaut, indem nach erfolgter Kontage diejenigen flächen der Brücke bzw. des Tisches einander gegenüber liegen, die mit Spoxybeton mit erhöhter Elastizität ausgefüllt worden sind.
Der auffallendste Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß neben der Ersparung an Masse die Lebensdauer des Ausschneidewerkzeuges - dank der günstigen V/irkung der elastischen Auflage - etwa auf das Fünffache verlängert werden kann.
Beispiel 7
Der Ölbehälter einer hydraulischen Speiseeinheit wird aus einer doppelwandigen Stahlschalenatruktur hergestellt. Der Haum zwischen den beiden V/andteilen wird mit einen Polymerbeton ausgefüllt, der aus Viapal "-450 Polyesterharz (Hersteller Vianova Ilunstharz A.G. Gras, Österreich), gewaschenem I-1 Iu^sand und Perlkies zusammengesetzt i3t.
Der auffalende Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß neben der Sicherstellung der Druckbeständigkeit des Behälters die Konstruktion eine verbesserte Isolierungsfähigkeit aufweist, als Erfolg kann die zum optimalen 3etrieb des Systems erforderliche Clbetriebstemperatur während einer um 50 % kürzeren Zeitspanne erreicht werden.
Die sich aus dem Charakter hinsichtlich des homogenen mechanischen Kontinuums ergebenden vorteilhaften Eigenschaften der in den vorangehenden Beispielen spezifizierten Polynerbetonkonatruktionen konnten durch unsere im Laufe der Versuche gewonnenen Erfahrungen ;:;e3tü,tigt werden.
Aufgrund der Dimensionierung von integrierten ".Obstruktionen mit Jchaumstruktur bei der architektonischen Verwendung des rrojektierung3kompendiums der
Technischen Vorschriften Ι-Έ 114-73 des Kinisteriums für Bauwesen und Stadtentwicklung betitelt "Dimensionierung von Bekleidungen aus Lletallblech und Sandwichpaneelen mit LIetallschalung" haben wir Prüfstücke mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt. Die gleiche Aussenabmessungen aufweisenden Prüfstücke wurden als Sinfeldträger einer statischen konzentrierten Kraftbelastung ausgesetzt, die Einbiegung wurde gemessen, wonach mit dynamisch sich wiederholender Belastung eine Zerstörungsprüfung durchgeführt worden ist· Die Gestaltung der Prüfstücke ist in den Figuren 1 bis 5 veranschaulicht. Statische Belastung und Einbiegung wurden in einer I.'.essanordnung nach ITigur ο gemessen. Messergebnisse sind in Tabelle I zusammengefasst:
Tabelle I
Gemessene durcliachnittliehe Einbiegung der Prüfstücke bei einer konzentrierten statischen Belastung von T? = 100 kll
!'eichen dec Gemessene Ein- Die auf die Masse Polymerbe- Schalende- GesamtgerrüfStückes biegung bezogene Einbiegung tongewicht wicht wicht
2,27.10~3 min/kg 45,36 kg 8,03 kg 53,39 kg
2,914.1O"3 mm/kg 24,36 kg 11,67 kg 36,03 kg
3,741.1O"3 min/kg 45,36 kg 3,08 kg 48,44 kg
26,4.10~3 mm/kg 0 kg 8,03 kg 8,03 kg
19.1O"3 mm/kg 0 kg 53,00 kg 53,00 kg
Jteifheitamulti- Lass im Verhältnis °
plikationssahl zu dem Prüfstücke '
im Verhältnis zu PBA-5
dem Prüfstücke :
PBA-I T1=O,103 mm
PBA-2 f2=0,105 mm
PBA-3 f3=0,157 mm
PBA-1 f4=0,212 mm
r ja-1; f5=0,101 mn
r:.;.-i/püA-1^ 9,806 +0,735
ΓΒΛ-2/Ρ3Α-5 9,619 -32,02
lxiA-3/PBA-cj 6,433 -8,604
PBA-4/PBA-5 4,764 -84,85
ΡΒΛ-0/ΡΒΑ-5 1 100,00
co co co
3ur Durchführung der Prüfung nit sich wiederholender dynamischer Belastung wurden die Prüfstücke als Sinfeidträger auf zwei Gummiplatten gelegt; zur Messung der Beanspruchung mit einem in der Mitte verteilenden Charakter wurde ebenfalls eine Gummiplatte zwischengeschaltet und die Messung an einer mit 500 kIT Druckkraft betriebenen hydraulischen Zuschnittsmaschine vorgenommen· Die Messergebnisse der dynamischen Belastung sind in der Tabelle II enthalten:
Tabelle II/l
Zu einer dynamischen Belastung von ΙβΟ kIT gehörende verbleibende ?ormänderungen nach verschiedenen Belastungszyklen
Belastungszykluszahl:
100
1000
Zeichen des Prüfstückes : PBA-I PBA-2 PBA-3 P3A-4 P3A-5
gemessene verbleibende Formänderung Cmm)
0,1
- 0,1 0,1
0,05 0,08 0,17
0,12 0,17 0,28
0,12 • 0,17 0,28
Tabelle U/2
Zu einer dynamischen Belastung von 250 kl! gehörende verbleibende Formänderungen nach verschiedenen Belastungszyklen
Belastungazyklus-
zahl: 100 1000 10000 100000
Zeichen des gemessene verbleibende Formänderung o, Cm
Prüfstückes: O O O O 25
ΡΒΛ-1 O O O X
PBA-2 0,11 0,17 0,26 X
PBA-3 0,20 0,30 X X
PBA-4 0,70 X X
PBA-5
Tabelle II/3
Zu einer dynamischen Belastung von 320 klT gehörende verbleibende Formänderungen nach verschiedenen Belastungszyklen
Belastungszyklen-· 10 des Prüf- 100 1000 0,33 10000
zahl: : gemessene O
Zeichen 0 verbleibende Fon X aänderun,
3tückes: 0 O X 0,67
PBA-I 0,33 O -t-w 0,06
Ρ3Λ-2 0,80 X
P3A-3 1,3 X X
P3A-4 S.
PBA-5
X = infolge einer übemässigen Beschädigung vrurde de:
Ycrauch abgestellt
Auf Grund der Ergebnisse der Versuchsserie kann es festgestellt werden, daß die unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellten, zu einer dynamischen Belastung ausgesetzten Druckkopf und Tisch von hydraulischen Ausschneidemaschine dienenden P3A-2 Polymerbetonkonstruktion äusserst günstige Eigenschaften aufweisen.
Unter Anwendung der Daten des vorherigen Versuchs haben wir die Prüfstücke PBH-2, PHB-3 bereitet; die Prismen wurden als Einfeldträger einer Belastung unterworfen, wobei die Haftfestigkeit an den Grenzflächen untersucht worden ist. Die Gestaltung der Prismen ist in Figur 7 dargestellt. Aufgrund der Versuche konnte es festgestellt werden, daß mit der gegenwärtig üblichen geschweissten Ausführung vergleichen, bei den insbesondere einer dynamischen Belastung ausgesetzten strukturellen Maschinenteilen unter Anwendung der Sandwichkonstruktion PBH-2 die an die minimale Formänderung und gute Schwingungsdämpfung gestellten Forderungen weitgehend befriedigt werden können und z.B. bei der Gestellkonstruktion von hydraulischen Zuschnittsmaschinen eine Ersparung von 8 bis 23 % bei der Masse möglich ist.
Die wichtigsten Vorteile de3 erfindungsgemässen Verfahren sind die folgenden:
- Die wirtschaftliche Ausgewinnung der Rohmaterialienquellen für die strukturellen Einheiten der traditionellen Llaschinenkonstruktionen ist in aller Vielt schwierig geworden. Der Anteil der zur Verarbeitung erforderlichen Znergiekosten zeigt perspektivisch eine immer zunehmende Tendenz. Die auf die Herabsetzung der eingebauten Materialien, Energie und lebendiger Arbeit gerichtete Tätigkeit, die aur Kompensation der entstandenen Mehrkosten dient, stellt eine grundsätzliche wirtschaftliche Forderung dar. Um den spezifischen Energieaufwand der Produktion herabsetzen zu können, i3t die Verringerung der eingebauten Masse unerlässlich. Langfristig können die erwOmten wirtschaftlichen Forderungen keineswegs anhand der tradi-
tionellen strukturellen Materialien befriedigt werden. Die durch die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zu3tandegebrachte Materialkombination ermöglicht die Gestaltung neuartiger Konstruktionen, die Herstellung von Konstruktionen mit geringerem Aufwand an Materialien, Energie und lebendiger Arbeit, die Ausarbeitung und Einführung neuer Dimensionierungsmethoden und weiten Grenzen.
- Zwischen den bisher verwendeten Diniensionierungsmethoden für den Eisenbeton, otahlkonstruktionen und !•Maschinenkonstruktion - die ersterwähnten werden nämlich im allgemeinen auf Spannung dimensioniert und auf die zulässige Deformation kontrolliert, während Ilaschinenkonstruktionen im allgemeinen auf die Pormänderung dimensioniert und auf die Spannung kontrolliert werden - gibt'ea einen Übergangsbereich, in welchem die universelle Ausnützung der Eigenschaften der verwendeten strukturellen Materialien unmöglich ist. Durch die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens und der Llaterialkombination fällt die ITötigkeit des Einbau3 einer Pluamenge an Materialien weg, weiterhin ist eine allgemeine Überdimensionierung wegen einer lokalen kritischen Überlastung überflüssig geworden.
- Bei der zweckmässigen Anwendung der neuen Materialienkombination verringert sich bedeutend der Aufwand an lebendiger Arbeit seitens der Ausführenden in der Produktionsphase, gleichzeitig ist die Forderung an Fachkentnissen ebenfalls geringer.
- Die Verwendung der neuen Materialkomposition beansprucht weder die Entwicklung der Hintergrundindustrie, noch eine Kapazität der Giess- und Formverfertigungsarbeiten in Giessereien; auch bei der Herstellung der als Verstärker dienenden Stahlschalenkonstruktion wird der Bedarf an lebendiger Arbeit, Material und Energie geringer, wodurch ochweiss- und "etallbearbeitungskapazität freigegeben wird.
- Die Verwendung von Sand, Kies, usw. als Füllstoff für den Polynerbeton in der Maschinenbauindustrie ist auch als eine neuartige Lösung zu betrachten.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Herstellung von Maschinenelement en au a verstärkten. Polymerbetonkonstruktionen zu statischer und dynamischer,Belastung
    Patentansprüche
    / IJ Verfahren zur Herstellung von verstärkten Polymeriietonkonstruktionen für strukturelle Elemente von Maschinen, die auch dynamisch und statisch bean» sprucht werden können, wobei Stahl als Verstärkungsmaterial verwendet wird, dadurch gekennzeich net, daß als Verstärkung eine äussere Stahlschalenkonstruktion verwendet wird, die mit Polymerbeton ausgefüllt wird und der Polymerbeton aushärten gelassen wird·
    2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel in dem Polymerbeton Epoxy-, Urethan-, Polyester-, Furan-, Penol-Pomaldehydharz oder deren Kombination, als Füllstoff verschiedene Stoffe mineralischer Herkunft, Schotter, Mahlgut usw· verwendet werden.
DE19843429883 1983-09-26 1984-08-14 Verfahren zur herstellung von maschinenelementen aus verstaerkten polymerbetonkonstruktionen zu statischer und dynamischer belastung Granted DE3429883A1 (de)

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