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Schraube, Bolzen oder Welle mit Bruchanzeige
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Die Erfindung betrifft die Schaffung einer Schraube, eines Bolzen
oder einer Welle oder dergleichen mit einer Bruchanzeige.
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Auf zahlreichen Einsatzgebieten, wie z. B. dem Bau von Bergbahnen,
Gondeln, Hochbaukranen sowie Eisenbahnzügen, werden Schrauben und Bolzen eingesetzt,
die aus Gründen der Sicherheit höchsten Anforderungen genügen müssen, da bereits
der Bruch einer einzigen Schraube zu einer Überlastung der in aller Regel aus mehreren
Elementen bestehenden Verbindung führt und damit früher oder später unweigerlich
zum Bruch und zur Zerstörung der gesamten Verbindung.
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Die Folge hiervon sind in aller Regel Menschenleben vernichtende Unfälle.
Als vorbeugende Maßnahmen hiergegen werden vor dem Einbau die hochbelasteten Schrauben,
Bolzen oder dergleichen mit Hilfe einer Röntgen- oder Ultraschalluntersuchung auf
das Vorhandensein von Bruchstellen untersucht und nur verneinendenfalls dann eingebaut.
Darüber hinaus werden im Rahmen der Wartung derartige Verbindungen zerlegt, nach
vorgenannten Methoden auf Bruchstellen untersucht und anschließend unter alleiniger
Verwendung einwandfreier Bauelemente wieder zusammengesetzt. Als nachteilig bei
all diesen Methoden ist anzusehen, daß eine Überprüfung nur im ausgebauten Zustand
erfolgen kann, wobei jedoch in der Praxis von außergewöhnlicher Wichtigkeit wäre,
unmittelbar nach einem, in aller Regel durch Überlastung auftretenen Bruch der Schraube,
des Bolzens oder der
Welle dies zu erkennen um sofort entsprechende
Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Es ist nicht auszuschließen, daß die bis zur
nächsten Wartung vergehende Zeitspanne zu groß ist, vor allem dann, wenn der Bruch
der Schraube während des Einbaues durch Beaufschlagung mit einem versehentlich zu
hohen Drehmoment erfolgt ist, so daß von Anfang an eine defekte Schraubverbindung
vorliegt.
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Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung von Schrauben,
Bolzen oder Wellen oder dergleichen zur Aufgabe gemacht, bei denen insbesondere
im eingebauten Zustand eine Überwachung auf Bruch, Risse oder dergleichen möglich
wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß in der Schraube, dem Bolzen
oder der Welle eine oder mehrere, in axialer Richtung verlaufende Bohrungen vorhanden
sind, in denen jeweils eine oder mehrere mit der Innenseite der Bohrung jeweils
direkt oder indirekt verbundene elektrische Leitungen angeordnet sind, die rlit
wenigstens einem Ende herausgeführt sind und das Material und/oder die Befestigung
der elektrischen Leitung so gewählt ist, daß bei einem Bruch von Schraube, Bolzen
oder Welle die elektrische Leitung unterbrochen wird. Dieses Ziel läßt sich beispielsweise
durch entsprechende Wahl des Verhältnisses der Elastizität des Materials der Schraube
zu der der elektrischen Leitung erreichen, so daß bei einem Bruch der Schraube,
des Bolzens oder dergleichen auch die Leitung einen Bruch erleidet, so daß deren
Widerstand wesentlich erhöht und der Stromfluß entsprechend reduziert wird.
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Andernfalls besteht die große Gefahr, daß bei einem Bruch von Schraube,
Bolzen, Welle oder dergleichen nicht unbedingt auch eine Unterbrechung der elektrischen
Leitung und demzufolge eine
Anzeige erfolgt. Man hätte dann den
unerwünschten Fall vorliegen, daß zwar ein Bruch des zu überwachenden Bauelementes
vorliegen würde, dieser jedoch nicht festgestellt werden könnte. Die Überwachung
erfolgt in der Weise, daß der elektrische Widerstand der nach außen geführten elektrischen
Leitung ständig überprüft wird, damit auf einen Anstieg hin eine Lokalisierung des
Defektes und ein Austausch des betreffenden Elementes erfolgen kann. Eine der wesentlichen
Vorteile der Erfindung besteht demnach also darin, daß ständig, das heißt permanent
eine Überwachung von Schraube, Bolzen, Welle oder dergleichen insbesondere auch
im eingebauten Zustand auf Bruch erfolgen kann.
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Deren Entstehen ist durch vielfältige Ursachen bedingt: So kann beispielsweise
bei kurzzeitiger Überlastung während des Festziehens durch Kräfte in radialer Richtung
(Torsion) ein Bruch des entsprechenden Bauelementes eintreten oder aber später im
Einsatz durch kurzzeitige Überlastung sowohl in radialer als auch axialer Richtung
ein Bruch oder das Entstehen von Rissen hervorgerufen werden. Auch Materialalterungs-oder
-Ermüdungserscheinungen, Korrosion oder dergleichen können das Entstehen von Rissen
oder Brüchen unterstützen und erleichtern. Bei Bauelementen größeren Durchmessers
oder Überprüfung auf nicht über den gesamten Querschnitt verlaufende Risse ist es
sinnvoll, mehrere Bohrungen einzubringen, so daß bereits Einrisse relativ geringer
Tiefe feststellbar sind. Auch ist der Begriff "in axialer Richtung verlaufend" so
weit auszulegen, daß auch die diagonale Richtung d. h. nicht exakt zur Achse angeordnete
Bohrungen umfaßt sind.
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Grundsätzlich reicht zur Realisierung des Erfindungsgedankens die
Anbringung einer einzigen elektrischen Leitung aus, die dann an ihrem einen Ende
nach außen zu geführt und dort anschließbar ist und mit ihrem anderen Ende im Inneren
von Schraube, Bolzen oder Welle oder in der zugehörigen Fassung, Halterung oder
Lager endet, mit anderen Worten also mit dem inneren Ende geerdet ist. Bei einer
anderen Möglichkeit sind zwei elektrische Leitungen der selben Bohrung am inneren
Ende miteinander verbunden, so daß eine in der Bohrung befindliche Schleife gebildet
wird. Dann können sämtliche elektrische Leitungen der selben oder verschiedener
Bohrungen in Reihe zueinander geschaltet werden, wohingegen die mit ihrem einen
Ende geerdeten elektrischen Leitungen in Parallelschaltung zueinander elektrisch
verknüpfbar sind.
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Grundsätzlich ist denkbar, daß die Bohrungen nur in den Bereichen
von Schraube, Bolzen oder Welle angeordnet werden, die durch ihre Form oder Beanspruchung
als mögliche oder voraussichtliche Bruchstellen angesehen werden müssen. Um unter
allen Umständen sicherzustellen, daß jeder Bruch und Riss zur Anzeige gelangt, muß
die Bohrung und insbesondere die in ihr angeordnete elektrische Leitung sich über
die gesamte Länge erstrecken.
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Für die bauliche Gestaltung der elektrischen Leitung innerhalb der
Bohrung besteht eine Vielzahl an Realisierungsmöglichkeiten: So kann sie ein innerhalb
der Bohrung mit elastischem Kleber befestigter Draht sein, wobei die Elastizät des
Klebers größer als die der Leitung sein muß, damit bei elastischen Verformungen
die Stabilität der Klebverbindung beibehalten und sichergestellt bleibt. Da
Schraube,
Bolzen oder Welle generell aus Metall, also leitendem Material aufgebaut sind, wird
eine isolierende Schicht zur elektrischen Leitung hin erforderlich, die entweder
verwirklicht werden kann durch einen elektrisch isolierenden Kleber oder aber durch
Befestigen eines bereits mit einer isolierenden Hülle ausgestatten Drahtes. Zur
Klarstellung und in Abgrenzung nachfolgender Fälle erfolgt die Verklebung über die
gesamte Länge des in der Bohrung befindlichen Drahtes.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Leitung
ein in die Wandung eines Hohl-oder Vollzylinders, vorzugsweise aus Glas, eingegossener
Draht. In einem anderen Beispiel besteht die elektrische Leitung aus einem endseitig
mit Elektroden ausgerüsteten und mit einer elektrisch leitenden Gas- oder Flüssigkeitsfüllung
versehenem Hohlkörper. Im ersten Fall zerbricht bei einer hinreichenden Belastung
der Zylinder und folglich auch der darin eingegossene Draht, im zweiten Fall hat
die Ausbildung eines Bruches oder Risses die Zerstörung des Hohlkörpers zur Folge,
so daß das eingeschlossene Gas oder die Flüssigkeit austreten kann, wodurch das
Leitvermögen verringert und sein Widerstand erhöht wird. Auch hier ist die Elastizität
des Materials des Zylinders oder des Hohlkörpers so zu wählen, daß spätestens bei
Auftreten von Brüchen oder Rissen der Schraube, Bolzens und der Welle dieser zerbricht
und dadurch dessen elektrischen Widerstand erhöht.
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Für die Befestigung von Zylinder oder Hohlkörper werden zwei Möglichkeiten
als besonders günstig empfohlen. Bei der einen wird der Zylinder oder Hohlkörper
aus oben bereits genannten Gründen unter
Verwendung von elastischem
Material im wesentlichen über seine gesamte Länge in der Bohrung verklebt und im
anderen Fall wird nur das in der Bohrung befindliche Ende des Zylinders oder Hohlkörpers
verklebt, das andere Ende hingegen mit einem Wulst ausgestattet, der in einem bestimmten
Abstand zum Rand der Bohrung angeordnet ist und zwar so, daß mit Erreichen der im
allgemeinen bekannten, maximal zulässigen Streckgrenze der Rand der Bohrung an den
Wulst anzuliegen kommt und jede weitere Streckung zu einer Durchtrennung des Zylinders
oder Hohlkörpers an der Sollbruchstelle und folglich auch zur Erhöhung des elektrischen
Widerstandes führt.
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Auch hier ist das Material des Zylinders oder Hohlkörpers sowie die
Lage des Wulstes derart aufeinander abzustimmen, daß mit Auftreten von Rissen oder
Brüchen in Schraube, Bolzen oder Welle unter allen Umständen ein Bruch des Zylinders
oder Hohlkörpers sowie eine Erhöhung des Widerstandes eintritt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung werden die elektrischen Leitungen
durch Aufdampfen hergestellt.
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Hierzu muß zunächst eine Isolierschicht zur Trennung der später aufzubringenden
elektrischen Leitung vom Material der Schraube, des Bolzens oder der erfolgen, allerdings
nur dann, wenn dieses Material ebenfalls elektrisch leitend ist.
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Bei mehreren elektrischen Leitungen, die gleichzeitig verschiedenen
Schrauben, Bolzen oder Wellen zugeordnet sein können, ist es grundsätzlich denkbar,
diese entweder in Reihe und/oder parallel zu schalten und den elektrischen Widerstand
zu messen. Bei einseitig geerdeten Leitungen (das eine Ende liegt auf Masse) empfiehlt
sich insbesodere die Parallel-
schaltung, bei schleifenförmigen
elektrischen Leitung hingegen die Reihenschaltung. Im Falle der Unterbrechung einer
einzigen elektrischen Leitung durch einen dort aufgetretenen Bruch oder Riss erhöht
sich der gemessene elektrische Widerstand. Bei Zusammenschalten mehrerer Leitungen
muß dann durch gesonderte Untersuchung festgestellt werden, an welcher Stelle konkret
der Defekt aufgetreten ist.
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Für den Fall, daß durch kurzzeitige Überlastung ein Bruch und demzufolge
eine Unterbrechung der elektrischen Leitung kurzzeitig aufgetreten ist, durch sofortige
Reduzierung der Belastung jedoch die beiden durch Bruch entstandenen Teile insbesondere
im Bereich der elektrischen Leitung wieder aufeinander zu liegen kommen und dadurch
erneut eine elektrische leitende Verbindung zustande kommt, könnte die Tatsache
des erfolgten Bruches auf dem Wege der Messung des elektrischen Widerstandes nicht
mehr festgestellt werden. Deshalb wird von der Erfingung vorgeschlagen, im Meßkreis
einen Kippschaltung anzuordnen, die bei einmaliger Störung umschaltet und den erfolgten
Bruch auch weiterhin anzeigt.
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Um den schnellen Austausch und insbesondere das Anschließen an den
Meßkreis rasch zu ermöglichen, ist schließlich noch vorgesehen das äußere Ende der
Leitung mit einer Schnellsteckverbindung zu versehen, so daß die Anschlußstücke
des Meßkreises rasch entfernt und nach erfolgtem Austausch wieder aufgesteckt werden
können.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich
der nachfolgenden Zeichnung entnehmen, in der die Erfindung an Hand von Aus-
führungsbeispielen
näher erläutert wird. Es zeigen: Figur 1: Eine Schraube in Querschnittsdarstellung
mit Glaszylinder und schleifenförmiger elektrischer Leitung; Figur 2: Eine Schraube
ebenfalls in Querschnittsdarstellung mit einseitig geerdeter und mit Isolierung
versehener elektrischer Leitung.
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In Figur 1 ist eine Schraube 1 in Querschnittsdarstellung widergegeben.
In deren Mitte verläuft in axialer Richtung eine Bohrung 2, in der sich ein Glaszylinder
3 befindet, dessen eines, rechtes Ende über eine Klebverbindung 4 mit der Innenwandung
der Bohrung 2 in Verbindung steht und an deren gegenüberliegenden Ende ein in radialer
Richtung überstehender Wulst 5 angeformt ist. Dieser liegt außerhalb der Bohrung
2 in einem gewissen Abstand zur Stirnseite der Schraube 1. Im Glaszylinder 3 verläuft
eine im wesentlichen sich über die gesamte Länge erstreckende schleifenförmige Leitung
6, die am linken, stirnseitigen Ende des Glaszylinders 3 nach außen geführt ist
und Anschlußstücke 7 zur Verbindung mit einem elektrischen, der Widerstandsmessung
dienenden Kreis aufweist.
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Die Funktion des gezeigten Ausführungsbeispieles ist wie folgt: Bei
Belastung der Schraube 1 auf Zug bewegt sich deren linkes Ende entsprechend der
Pfeile 8 auf den Wulst 5 zu. Dessen Abstand ist so bemessen, daß etwa bei Erreichen
der treckgrenze der Schraube 1 der Wulst berührt wird und auch der Glaszylinder
3 auf Grund der am gegenüberliegenden Ende angebrachten Klebverbindung 4 unter Zug
gerät.
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Die Dimensionierung ist nun so vorgenommen, daß mit Überschreiten
der Streckgrenze der Schraube 1, also mit dem ersten Auftreten von Pissen und Brüchen
in der Schraube 1 die Bruchgrenze des Glaszylinders 3 überschritten wird, dieser
zerbricht und hierbei die elektrischen Leitungen 6 an der Bruchstelle des Glaszylinders
3 durchtrennt. Dann wird der zwischen den beiden Anschlußstücken 7 gemessene elektrische
Widerstand unendlich groß als Anzeichen dafür, daß die elektrischen Leitungen 6
an irgendeiner Stelle durchtrennt worden sind. Nach Beseitigung der eigentlichen
Bruchursache kann dann sofort die defekte Schraube 1 ausgetauscht und durch eine
neue, fehlerfreie ersetzt werden.
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Figur 2 zeigt die gleiche mit einer Bohrung 2 versehene Schraube 1,
ebenfalls in Querschnittsdarstellung. Allerdings befindet sich nunmehr in der Bohrung
2 eine mit einer Isolierung 9 versehene elektrische Leitung 6, die an ihrem linken
Ende über die Isolierung 9 übersteht und mit einem Anschlußstück 7 ausgerüstet ist.
Das rechte Ende 10 steht ebenfalls über die Isolierung 9 über und ist mit der Innenseite
der Bohrung 2 verbunden. Die gesamte elektrische Leitung 6 ist über eine sich nahezu
über die gesamte Länge der Bohrung 2 sich erstreckende Klebverbindung 4 mit der
Innenseite der Schraube 1 verbunden. Die Elastizität des Materials des Klebers muß
dabei höher seine als die der elektrischen Leitung 6 mit der Isolierung 9, da sich
andernfalls bei elastischen Verformungen der Schraube 1 die elektrische Leitung
6 ablösen wird.
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Die Benutzung geschieht in der im wesentlichen bereits bei Figur 1
beschriebenen Weise. Der einzige Unterschied besteht darin, daß ein einziges
Anschlußstück
7 vorhanden ist, da das andere Ende mit der Schraube 1 verbunden, die elektrische
Litung 6 demnach geerdet ist. Die Elastizität der verwendeten Materialien ist so
aufeinander abgestimmt, daß bei Auftreten von Rissen in der Schraube 1 spätestens
auch solche in der elektrischen Leitung 6 in aller Regel gerade dort, wo auch der
Bruch der Schraube 1 lokalisiert ist.
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Die Folge ist ein erheblicher Anstieg des Widerstandes der elektrischen
Leitung 6, durch deren Messung die Tatsache eines Bruches der Schraube 1 feststellbar
ist.
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Im Ergebnis ermöglicht die erfindungsgemäße Lehre bei Schrauben, Bolzen
oder Wellen bereits im eingebauten Zustand das Auftreten von Rissen und Brüchen
sofort zu erkennen, so daß unvermittelt Abhilfe geschaffen und Unfälle verhütet
werden können.
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