DE69102678T2

DE69102678T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung des Endes eines geschlossenen Rohres.

Info

Publication number: DE69102678T2
Application number: DE69102678T
Authority: DE
Inventors: Koji Tanaka; Satoru Yamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-04-21
Filing date: 1991-04-19
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2011-04-20
Also published as: JPH045540A; US5287750A; JPH0743305B2; US5197335A; EP0454371A3; CA2040639C; EP0454371B1; EP0454371A2; CA2040639A1; DE69102678D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen der mechanischen Festigkeit von Endabschnitten von an den Enden geschlossenen Hohlrohren. Die Vorrichtung eignet sich z.B. zum Prüfen der mechanischen Festigkeit von Bodenabschnitten von am Boden geschlossenen Hohlrohren aus Zirkonerde, die ein Ende aufweisen, das durch dasselbe Material abgeschlossen ist.
Obwohl das obige keramische, am Boden geschlossene Hohlrohr z.B. als Zellenbestandteil verwendet wird, waren keine Vorrichtungen zum Prüfen der Bodenabschnittsfestigkeit bekannt, die die Festigkeit des Bodenabschnitts eines am Boden geschlossenen Hohlrohres dieses Typs genau prüfen konnten. Unter diesen Umständen wurde die Festigkeit des Bodenabschnitts von am Boden geschlossenen Hohlrohren durch Druckanwendung innerhalb des Hohlrohres geprüft. Es ist jedoch schwierig, auf diese Art die Festigkeit des Bodenabschnitts zu prüfen, da bei hoher Druckanwendung im Inneren eines dünnen, am Boden geschlossenen Rohrs zuerst die Seitenwände brechen. Wenn demnach solche dünnen, am Boden geschlossenen Hohlrohre als Bestandteile von Brennstoffzellen verwenden werden, brechen sie oft aufgrund ihrer mangelnden Festigkeit im Bodenabschnitt, was ein Problem in der Praxis darstellt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Prüfen der mechanischen Festigkeit von Bodenabschnitten von am Boden geschlossenen Hohlrohren vorzusehen, die eine einfache und genaue Prüfung der mechanischen Festigkeit von Bodenabschnitten von z.B. dünnen, am Boden geschlossenen Hohlrohren ermöglicht. Unter dem in der Beschreibung und den Patentansprüchen verwendeten Ausdruck "mechanische Festigkeit" versteht man folgendes.
Der Ausdruck "mechanische Festigkeit" umfaßt sowohl die mechanische Festigkeit eines Bodenabschnitts und die Haftfestigkeit zwischen einem peripheren Wandabschnitt und dem Bodenabschnitt im Fall eines an einem Ende geschlossenen Rohres. Wenn die Haftfestigkeit geringer als die mechanische Festigkeit ist, wird die erstere gemessen. Wenn hingegen die Haftfestigkeit größer als die mechanische Festigkeit ist, wird die letztere gemessen.
In Figuren 1A bis 1E sind bestimmte Formen von am Boden geschlossenen Hohlrohren exemplarisch dargestellt. In diesen Figuren kennzeichnen A und B jeweils einen peripheren Wandabschnitt bzw. einen Bodenabschnitt des am Boden geschlossenen Hohlrohres. In Figuren 1A bis 1D ist der Bodenabschnitt mit einem geeigneten Haftmittel an einen Endabschnitt des peripheren Wandabschnitts gebunden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf am Boden geschlossene, in Figuren 1A bis 1D dargestellte Hohlrohre des Hafttyps, sondern auch auf jene des einstückigen, in Fig.1E dargestellten Typs anwendbar. Beim in Fig.1E dargestellten Hohlrohr ist ein Bodenabschnitt B nicht an einen peripheren Wandabschnitt A gebunden, sondern der erstere wird gleichzeitig und einstuckig mit der Bildung des peripheren Wandabschnitts, z.B. durch ein Gußverfahren, gebildet. Die mechanische Festigkeit des Bodenabschnitts B eines am Boden geschlossenen Hohlrohres von Fig.1E kann auch mit erfindungsgemäßen Ausführungsformen gemessen werden.
Ein erster erfindungsgemäßer Aspekt ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung eine durch Luft oder durch ein anderes Fluid betriebenes Spannfutter zum Halten der peripheren Außenfläche des am Boden abgedichteten Hohlrohres mit geschlossenem Boden und ein Preßmittel aufweist, das koaxial mit dem Druckluftfutter betreibbar ist, worin das Preßmittel ein relativ verformbares Preßelement aufweist, das die Außenfläche des Bodenabschnitts des Hohlrohres mit geschlossenem Boden von einer Außenseite davon berührt und die Außenfläche des Bodenabschnitts axial drückt.
In einem zweiten Aspekt ist eine Prüfvorrichtung mit einem fluidbetriebenen (insbesondere luftbetriebenen) Spannfutter zum Halten der peripheren Außenfläche des am Bodenabschnitt abgedichteten Hohlrohres mit geschlossenem Boden und ein koaxial mit dem Druckluftspannfutter angeordnetes Preßmittel vorgesehen, worin das Preßmittel mit einer Preßstange zum Eindringen in das Innere des am Boden geschlossenen Hohlrohres und mit einem an der Spitze der Preßstange angebrachten elastischen Preßelement zum Erreichen und Drücken der Bodenfläche des Hohlrohres versehen ist.
Es stellte sich heraus, daß durch Verwendung einer Vorrichtung mit diesen Merkmalen durch Anwendung vorgegebener Kräfte mittels des elastischen Preßelements von der Innenfläche oder der Außenfläche des Bodenabschnitts in axialer Richtung des Hohlrohres, das durch ein Druckluftspannfutter gehalten wird, eine genaue Prüfung erfolgen kann, ob die Haftfestigkeit des Bodenabschnitts des am Boden geschlossenen dünnen Hohlrohres annehmbar ist oder nicht.
Beim Durchlesen der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen werden in Verbindung mit den beigelegten Zeichnungen verschiedene bevorzugte erfindungsgemäße Ziele, Mermale und Vorteile deutlich, wobei festzustellen ist, daß einige Modifizierungen, Variationen und Änderungen derselben durch den Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung vorgenommen werden könnten.
Es wird auf die folgenden beigelegten Zeichnungen Bezug genommen, worin:
Figuren 1A bis 1E partielle Schnittansichten von Hohlrohren mit geschlossenem Boden sind, deren mechanische Festigkeit durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemessen werden kann;
Fig.2 eine partielle Schnittansicht einer Ausführungsform gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt ist;
Figuren 3 und 4 jeweils eine Seitenansicht und eine vergrößerte Schnittansicht eines Hauptabschnitts von Fig.2 sind;
Fig.5 eine partielle Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt ist; und
Fig.6 eine partielle Schnittansicht einer Ausführungsform gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt ist.
Es folgt eine ausführlichere Erklärung vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die in den beigelegten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen.
In Figuren 2 und 3 ist ein Bezugszeichen 1 eine Basis, und ein Druckluftspannfutter 2 ist in einem Mittelloch der Basis vertikal angeordnet, um die periphere Außenfläche des geraden Rohrs W mit geschlossenem Boden zu stützen. Das Rohr kann aus Keramik, z.B. Zirkonerde sein.
Das Druckluftspannfutter enthält Führungselemente 3, 3 im oberen und unteren Abschnitt, und ein ringförmiges elastisches Element 4 ist im Mittelabschnitt eines Rahmens des Druckluftspannfutters angeordnet. Nachdem das Hohlrohr durch ein Mittelloch des elastischen Elements 4 gesteckt wird, wird das elastische Element durch Luftdruck radial nach innen ausgedehnt, um die periphere Außenfläche des Hohlzylinders mit geschlossenem Boden zu halten. Dadurch kann das Druckluftspannfutter das am Boden geschlossene Hohlrohr W solcherart in einer Position halten, daß das Rohr W mit dem Druckluftsoannfutter gut ausgerichtet ist. denn die Haltekräfte nicht ausreichen, kann, wie in Figuren 2 und 3 durch imaginäre Linien ersichtlich, ein weiteres Druckluftspannfutter 2 oberhalb des Druckluftspannfutters 2 durch Trägerstangen und eine Basis an oberen Enden der Stangen vorgesehen sein.
Bezugszeichen 5 kennzeichnet ein koaxial unter dem Druckluftspannfutter 2 angeordnetes Preßmittel. In der vorliegenden Ausfuhrungsform enthält das Preßmittel 5 einen vertikal unter der Basis 1 angeordneten Luftzylinder 6, eine Preßstange 7 und ein elastisches Preßelement 8 aus z.B. Hartgummi, das an der oberen Spitze der Preßstange 7 angebracht ist. Stangen X und Y erstrecken sich von der Basis 1 nach unten, während die oberen Enden der Stangen durch Bolzen an der Basis befestigt sind. Die Stangen X und Y dringen unterhalb der Basis 1 in die Basen 1A und 1B ein. Die Basen 1A und 1B werden mittels Bolzen gleitend durch die Stangen X und Y gehalten. Der Luftzylinder 6 ist an der unteren Stirnseite der Basis 1B fixiert, und ein Plunger des Luftzylinders 6 wird durch ein Mittelloch der Basis 18 gesteckt und an der unteren Stirnseite einer oberhalb der Basis 1B angeordneten Meßdose 10 angefügt oder fixiert. Das untere Ende der Preßstange 7 wird auf den oberen Abschnitt der Meßdose 10 plaziert oder daran fixiert, und die Stange 7 wird durch ein Mittelloch in Basis 1A gesteckt. Ein Lager 11 ist auf der Basis 1A angeordnet. Die Preßstange 7 ist mit dem am Boden geschlossenen Hohlrohr ausgerichtet, das durch das Druckluftspannfutter mittels des oberen Endes des Lagers 11 und der Meßdose 10 gehalten wird. Wie aus Fig.4 ersichtlich, ist das elastische Preßelement 8 eingestellt, nur eine abgedichtete Bodenfläche 9 des am Boden geschlossenen Hohlrohres W von der Außenseite zu berühren und zu drucken. Das Preßelement 8 hat eine gekrümmte obere Fläche, um sich an das Außenprofil des am Boden geschlossenen Hohlrohrs W anzupassen. Durch eine solche Konstruktion kann eine lokale Lastenkonzentration auf die Bodenfläche 9 vermieden und eine Ausrichtung zwischen dem Hohlrohr mit geschlossenem Boden und dem Preßelement leicht erreicht werden. Weiters kann eine Meßdose 10 zwischen dem Luftzylinder 6 und der Preßstange 7 angeordnet sein, sodaß die Prüfeinrichtung Preßkräfte zu jeder Zeit genau ermitteln kann. Das vertikal bewegliche Lager 11 trägt die Preßstange 7 und nimmt die Preßstange 7 nur am oberen Ende auf. Dadurch verhindert das Lager 11 gemeinsam mit der Meßdose eine Schräglage des am Boden geschlossenen Hohlrohrs W.
Fig.5 stellt eine zweite Ausführungsform dar, bei der ein elastisches Preßelement 8 eine solche Struktur aufweist, daß das Preßelement 8 durch Fluiddruck erweitert wird, um verformt zu werden, um sich an die Konfiguration der Bodenfläche 9 des am Boden geschlossenen Hohlrohres W anzupassen. Das elastische Preßelement 8 ist ein elastisches Gummielement 12, das am inneren Ende einer zylindrischen Führung 7' aus rostfreiem Stahl o.ä. angebracht ist oder am oberen Ende der Preßstange 7 angebracht ist oder sich von diesem erstreckt. Wenn der fluiddruck wie Öldruck, hydraulischer Druck, pneumatischer Druck o.ä. durch die Preßstange 7 auf die zylindrische Fuhrung 7' angewendet wird, dehnt sich der elastische Gummi 12 aus, sodaß das elastische Preßelement eng an der Bodenfläche 9 des am Boden geschlossenen Hohlrohres W anliegen kann. In der vorliegenden Ausführungsform sind die anderen Bestandteile dieselben (die Basis 1A und das Lager 11 sind nicht dargestellt, sie können aber weggelassen werden), weshalb keine Erklärung dazu gegeben wird.
Zum Prüfen der mechanischen Festigkeit des am Boden geschlossenen Hohlrohres W, dessen Bodenabschnitt durch die Bodenfestigkeits-Prüfungsvorrichtung abgedichtet ist, die eine Ausführungsform des ersten erfindungsgemäßen Aspekts ist, wird das am Boden geschlossene Hohlrohr W, wie aus der Fig. ersichtlich, nach unten durch das in offenem Zustand befindliche Druckluftspannfutter 2 gesteckt und die Bodenfläche 9 auf das elastische Preßelement 8 des Preßmittels 5 aufgelegt. Zu diesem Zeitpunkt ist das am Boden geschlossene Hohlrohr W mittels des oberen und unteren Führungsabschnitts 3, 3 des Druckluftspannfutters 2 und des elastischen Preßelements 8 mit dem Preßelement 8 ausgerichtet. Dann wird pneumatischer Druck auf das Druckluftspannfutter 2 ausgeübt, und die periphere Außenfläche des Hohlrohres mit geschlossenem Boden W wird fest eingespannt. Durch Betätigen des Luftzylinders 6 wird nur die Bodenfläche 9 des am Boden geschlossenen Hohlrohres W gedrückt. Zu diesem Zeitpunkt können die Preßkräfte mittels der Meßdose 10 genau ermittelt werden. Hohlrohre mit geschlossenem Boden, die unter Einwirkung bestimmter Kräfte an der Bodenfläche 9 nicht brechen, werden als annehmbar eingestuft. Weisen hingegen die am Boden geschlossenen Hohlrohre W aus irgendeinem Grund eine niedrige mechanische Festigkeit auf, brechen ihre Bodenflächen 9.
Wie oben erklärt, kann gemäß dem ersten Aspekt der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung die mechanische Festigkeit des Bodenabschnitts des am Boden geschlossenen Hohlrohres W leicht und genau geprüft werden. Da überdies ein relativ weiches, sich anpassendes Preßelement 8 verwendet wird, kann eine lokale Lastkonzentration auf die Bodenfläche 9 vermieden und die mechanische Festigkeit gemessen werden, während ein Brechen des Materials selbst, aus dem das am Boden geschlossene Hohlrohr W besteht, verhindert wird.
Fig.6 zeigt eine Ausführungsform gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt, bei der ein Preßmittel 13 oberhalb eines Druckluftspannfutters 2 angeordnet ist, das sich in einem Mittelloch einer Basis 1 befindet. Dieses Preßmittel 13 wird an einer anderen Basis gestützt, die an oberen Enden der Stützstangen fixiert ist, an die die Basis 1 auch fixiert ist. Ein Luftzylinder 6 ist oberhalb des Druckmittels 13 durch eine Meßdose vorgesehen. Das Preßmittel 13 ist mit einer Preßstange 14 versehen, die die innere Bodenfläche 9 das am Boden geschlossenen Hohlrohres W erreichen kann. Die Preßstange 14 ist an ihrer Spitze mit einem elastischen Preßelement 15 versehen, und das elastische Preßelement 15 drückt die Bodenfläche des Hohlrohres W vom Inneren. Die Konstruktion des Preßelements ist dieselbe oder eine ähnliche wie die des ersten erfindungsgemäßen Aspekts. In der Ausführungsform von Fig.6 wird Hartgummi als elastisches Preßelement 15 verwendet, doch es eignet sich jedes Material, das durch Ausdehnung unter Fluiddruck verformt wird.
Das Prüfen der mechanischen Festigkeit des Bodenabschnitts des am Boden geschlossenen Hohlrohres W mit abgedichtetem Boden kann mittels der Bodenfestigkeits-Prüfungsvorrichtung für das Hohlrohr mit geschlossenem Boden erfolgen, die eine Ausführungsform des zweiten erfindungsgemäßen Aspekts darstellt. Dabei wird das am Boden geschlossene Hohlrohr W zunächst durch das Druckluftspannfutter 2 gehalten, die Preßstange 14 wird in das Innere des Hohlrohres eingeführt und das elastische Preßelement 15 berührt an seinem unteren Ende die Bodenfläche 9 des Rohrs. Die Preßstange 14 wird durch den Luftzylinder 6 gesenkt, um die Bodenfläche 9 des Rohrs von innen zu drücken. In der Folge bricht die Bodenfläche 9, wenn das am Boden geschlossene Hohlrohr W eine schlechte mechanische Festigkeit aufweist. Wie beim ersten erfindungsgemäßen Aspekt werden Hohlrohre mit geschlossenem Boden als geeignet eingestuft, die bei Anwendung bestimmter Kräfte nicht brechen.
Wie bereits erwähnt, kann mittels der beschriebenen Vorrichtung die mechanische Festigkeit des Bodenabschnitts des dünnen Hohlrohres mit geschlossenem Boden, dessen Bodenabschnitt durch Abdichten des Endabschnitts gebildet ist, leicht und genau vom Außeren oder Inneren des Rohres durch das elastische Preßelement geprüft werden. Weiters kann mittels der beschriebenen Vorrichtung die mechanische Festigkeit genau geprüft werden, da sich das elastische Preßelement leicht an die Konfiguration des Bodenabschnitts des Hohlrohres mit geschlossenem Boden anpaßt, während ein Brechen des Materials selbst aufgrund von lokalen Spannungskonzentrationen vermieden werden kann.
Aus diesen Gründen kann die vorliegende Erfindung als Bodenfestigkeits-Prüfungsvorrichtung für Hohlrohre mit geschlossenem Boden in hohem Maße zur Weiterentwicklung auf dem Gebiet beitragen.

Claims

1. Vorrichtung zum Prüfen der Festigkeit am Endabschluß (9) eines am Ende geschlossenen Rohres (W), umfassend

ein luftbetriebenes Spannfutter (2) zum Fassen der Außenfläche eines zu prüfenden Rohrs (W), um das Rohr (W) in einer Prüfposition zu halten, und

Preßmittel (5, 13), die relativ zum Spannfutter (2) axial betreibbar sind, wobei die Preßmittel (5, 13) ein relativ verformbares Element (8, 15) zum Berühren der Endfläche des Endabschlusses eines geschlossenen Endes eines in einer solchen Prüfposition gehaltenen Rohrs (W) und zum Dagegendrücken mit einer vorherbestimmten Kraft umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend eine Meßdose (10) zum Bestimmen der Kraft, mit der das Preßelement (8) gegen das Rohr und die Schließfläche gedrückt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Preßmittel (5, 13) einen fluidbetriebenen Zylinder (6) und eine Preßstange (7, 14) umfassen, die an einem Ende mit dem Zylinder verbunden ist, sodaß sie durch Betätigen davon beweglich ist, und am anderen Ende mit dem Preßelement (8, 15) verbunden ist, um es mit genannter vorherbestimmter Kraft zu drücken.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Preßelement (8, 15) eine dreidimensional geformte Stirnseite zur Anpassungsberührung mit der Endfläche des verwendeten Rohrs aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das verformbare Preßelement ein elastomeres Element umfaßt, um sich bei Kontakt an die Endfläche des Rohrs anzupassen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Preßelement ein Gummielement (12) umfaßt, das am Ende eines Führungszylinders (71/2) an einer Preßstange (7) des Preßmittels (5) angebracht ist, und worin durch die Preßstange (7) hinter dem Gummielement (12) Fluiddruck ausgeübt werden kann, um zur Erreichung der Anpassungsberührung beizutragen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Preßelement (15) eingestellt ist, um vom Rohrinneren auf die Endfläche des Rohrs zu drücken.

8. Verfahren zum Prüfen der mechanischen Festigkeit am Endabschluß (9) eines Rohrs mit geschlossenem Ende (W), umfassend

Fassen des Rohrs (W) in einem Spannfutter (2), das eine axiale Richtung definiert;

axiales Drücken mit einer vorherbestimmten Kraft auf die Oberfläche des Endabschlusses (9) des Rohrs mit einem relativ verformbaren Preßelement (8, 15), das im wesentlichen eine Anpassungsberührung mit der Oberfläche des Endabschlusses (9) herstellt.

9. Verfahren nach Anspruch B, worin das Rohr (W) ein Keramikrohr ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, worin das Preßelement (8) auf den Rohrendabschluß (9) vom Äußeren des Rohrs (W) drückt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, worin der Rohrendabschluß (9) eine gekrümmte Oberfläche hat, an die sich das Preßelement (8) anpaßt.