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Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung der dynamischen Widerstandsfähigkeit
von Materialien
Die Erfindung betrifft die Ermittlung der dynamischen Widerstandsfähiglceit
von Materialien, insbesondere Folien, z.B. Sackpapier. Dabei wird von der Erkenntnis
ausgegangen, daß statische Prüfungen von Sackpapier kein allgemeingültiges Kriterium
für die praktische Beanspruchbarkeit solcher Papiere darstellen. Ähnliches gilt
auch für andere Materialien, die dynamischen Beansp ruchungen unterliegen, insbesondere
dann, venn sie über die elastische Dehnung hinaus beansprucht werden.
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Aus diesem Grunde wurden bereits Apparate vorgeschlagen, die der
dynamischen Beanspruchung von Papiersäcken in der Praxis Rechnung tragen und die
Abreißarbeit von schmalen Prubestreifen anzeigen. Die mit derartigen Einrichtungen
gemessenen Werte kommen der primären dynamischen Festigkeit gleich. Diese Festigkeit
stellt diejenige des betreffenden Materials vor der ersten Beanspruchung dar. Diese
Festigkeit bedingt jedoch nicht allein eine mehr oder minder große energetische
Beanspruchbarkeit. Außerdem sind derartige Reißvorrichtungen in bezug auf die Einspannung
der Probestreifen äußerst empfindlich.
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Kleine individuelle Unterschiede bei der Einspannung können demnach
einseitige Überspannungen zur Folge haben, so daß große Streuungen eintreten können.
Außerdem bedingt die Benutzung eines verhältnismäßig schmalen Probestreifens größere
Schwankungen der Meßergebnisse.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird-erfindungsgemäß eine Materialprobe
so lange wiederholt einer auf sie zu einem wesentlichen Teil senkrecht einwirkenden,
insbesondere gleich starken, stoß artigen Belastung unter Ausnutzung der kinetischen
Fallenergie eines Gewichts ausgesetzt, bis Materialzerstörung eintritt. Dabei kann
mit besonderem Vorteil die insbesondere folienartige Materialprobe waagerecht angeordnet
und einer auf sie etwa lotrecht einwirkenden Belastung ausgesetzt werde Wegen der
nach der Erfindung ganz oder zu einem wesentlichen Teil auf die Oberfläche der Materialprobe
senkrecht einwirkenden Prüfbelastung lassen sich besonders genaue Meßergebnisse
erzielen.
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Außerdem können die hierzu notwendigen Prüfapparate besonders einfach
ausgeführt und bedient werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. I die Gesamtdarstellung einer beispielsweisen Prüfeinrichtung nach der Erfindung,
und zwar auf der linken Seite in Ansicht und rechts im Längsschnitt. Die Fig. 2
läßt eine Draufsicht längs der Ebene A-A und die Fig. 3 eine solche längs der EbeneB-B
der Fig. I erkennen.
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Die Fig. 4 gibt ein Diagramm wieder, welches der Ermittlung der aufgewandten
Energie dient.
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Schließlich veranschaulicht die Fig. 5 teilweise ein weiteres Ausführungsbeispiel
nach der'Erfindung im Längsschnitt.
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Wie die Fig. I erkennen läßt, ist bei dem erfindungsgemäßen Prüfapparat
zwischen zwei Schienen I und 2 ein mit zwei Schellen 3 und 4 versehener Schlitten
5 in lotrechter Richtung frei beweglich.
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In der Schelle 4 ist eine Bodenplatte 6 mit zentrischer Bohrung 7
frei beweglich. Eine Draufsicht auf diese Bodenplatte zeigt Fig. 2. In die Schelle
3 ist fdie Deckplatte 8 eingespannt. Zwischen diesen beiden Platten befindet sich
ein oben geschlossener Hohlzylinder 9. Zwischen ihn und die Bodenplatte 6 wird die
zu prüfende Papierprobe 10 gelegt und durch die Spindel ei festgespannt. Diese Spindel
wird zu diesem Zweck in einem Innengewinde der Deckplatte 8 nach abwärts geschraubt.
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Unter der Papierprobe befindet sich ein Gummibelag I2 (Fig. 2) mit
Aussparungen I3 am linken und rechten Ende. Die Papierprobe ist daher nur vorn und
hinten festgeklemmt. Sie ist somit als breiter, waagerecht liegender eingespannter
Streifen zu betrachten. Durch die Füllöffnung I4 der Deckplatte 8 werden nach erfolgter
Einsparung der Papierprobe im vorliegenden Fall 200 g Stahlkugeln mit einem Durchmesser
von I mm durch eine Öffnung 15 in den Hohlzylinder g gefüllt. Hierauf wird die Füllöffnung
15 verschlossen.
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Mittels einer durch einen Elektromotor angetriebenen mechanischen
Vorrichtung wird nun der gesamte mittels des Schlittens 5 an den zwei Schienen I
und 2 geführte Fallkörper wiederholt, z. B. 14,5 cm, hochgehoben und auf den Amboß
I6 herabfallen gelassen.
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Wenn durch Einwirkung der Falienergie der Kugelftillung der Probestreifen
zu Bruch kommt, d. h. also einen Riß erhält, so ergießen sich die Kugeln in ein
Auffanggefäß 17. Dieses Auffanggefäß wird durch eine kanalförmigeAusnehmung I8 des
Ambosses I6 von der Seite her so weit eingeschoben, daß es sich zentral unterhalb
der Bohrung 19 des Ambosses befindet. Diese Bohrung 19 hat vorteilhaft den gleichen
Durchmesser wie die Innenöffnung 7 des Bodens 6 und ist auch dem Innendurchmesser
des Hohlzylinders g gleich.
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Außerdem fluchten alle drei genannten zylindrischen Hohlräume.
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Nach dem Bruch des Probematerials wird selbsttätig der Antriebsmotor
abgeschaltet. Dieser Schaltvorgang wird dadurch ausgelöst, daß die envähnten Kugeln
in das Auffanggefäß I7 gelangen. Beispielsweise kann die Schaltung in Abhängigkeit
von der Belastung dieses Auffanggefäßes arbeiten.
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Die Anzahl der Würfe bis zum Bruch wird durch ein Zählwerk registriert.
Diese Zahl wird im folgenden als Bruchzahl fl bezeichnet. Nach Öffnen der Spindel
11 und Herausheben des Hohlzylinders 9 kann sofort die nächste Materialprobe zur
Untersuchung eingelegt werden. Die Bedienung dieser Einrichtung ist also besonders
einfach. Außerdem wirken alle auftretenden Beanspruchungen auf Grund der vorhandenen
Fallenergie senkrecht auf die Papieroberfläche, so daß die bei Prüfungen zustande
kommenden Ergebnisse gut übereinstimmen. Außerdem wird die gesamte Papierfläche
weitestgehend gleichmäßig beansprucht.
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Die Abnahme der dynamischen Festigkeit bei einer Anzahl dz von Würfen
ist An - dF = k . . dz.
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Fm Dabei bedeutet k die Bruchkonstante, die den Grad der Abnahme der
Festigkeit im Laufe der Beanspruchung charakterisiert, A die aufgewandte Energie
und F die dynamische Festigkeit.
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Die Lösung dieser Differentialgleichung ist
Fo stellt die primäre dynamische Festigkeit und Zß die Bruchzahl dar.
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Für A = I ist die linke Seite der Gleichung der Biruchzahl gleich.
Diese Größe wird dynamischer Festigkeitsmodul ß benannt. Als A = l wird die Energie
der Füllung von 200 g Stahlkugeln beim freien Fall aus einer Höhe von I4,5 cm, also
A X = 0,029 kgm, definiert.
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Ferner wurde festgestellt, daß für die Exponenten n und m bei allen
Papiersorten n =3 und m = 2 gilt.
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Es besteht somit die Beziehung F0³ = A³. zB.
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3 k Die Energie, die erforderlich ist, um beim ersten Wurf zum Bruch
zu führen, errechnet sich aus der
obigen Gleichung, wobei für ZB
gleich I zu setzen ist. Es ist
Diese Größe wird als absolute BUerstenergie bezeichnet. Sie ist jener Energie gleich,
die bei vollständiger Einwirkung auf das Papier dieses zum Bersten bringt. Sie kann
aus dem mit dem oben angegebenen Apparat gefundenen Wert S aus delm in Fig. 4 dargestellten
Diagramm sofort entnommen werden. In diesem Diagramm sind in der Ordinatenrichtung
die Werte A der absoluten Berstenergie und in der Abszissenrichtung die Werte es
aufgetragen.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Prüfapparates bestehen vor allem
darin, daß die mit ihm vorgenommene Prüfungsmethode weitgehend der praktischen dynamischen
Beanspruchung von Papiersäcken entspricht. Die bei der Methode nach der Erfindung
mögliche große Breite des Probestreifens schaltet weitestgehend Streuungen der Untersuchungsergebnisse
aus. Durch die Art der Einspannung werden einseitige Spannungen in der Materialpro,be
vermieden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt teilweise die
Fig. 5. Diese Einrichtung kann nach Entfernen der Platten 6 und 8 in der Vorrichtung
nach Fig. I benutzt werden. Die in Fig. 5 gezeigte Einrichtung kann ebenfalls mit
Hilfe der Schellen 3 und 4 (Fig. I) innerhalb des Schlittens 5 eingespannt werden.
Gemäß Fig. 5 besteht der Kernteil des Fallkörpers aus einer kegelförmigen Bodenplatte
20, über welche die zu einem Zylinder geklebte Papierprobe 2I gestülpt wird. Der
aus diesem Papierzylinder und der ,Bodenplatte gebildete Behälter wird, z. B. mit
200 g Stahlkugeln von I mm Durchmesser gefüllt. Der so gefüllte Behälter wird dann
in den Schlitten 5 eingeführt und hierauf mit der Deckplatte 22 abgedeckt und festgeklemmt.
Hierauf wird aus derselben Höhe wie bei dem vorher beschriebenen Beispiel geworfen.
Diese Methode liefert die Bruchzahl #. Die mit dem zuletzt beschriebenen Apparat
erzielten Ergebnisse sind den Ergebnissen des zuerst beschriebenen Beispiels direkt
proportional. Die zuletzt beschriebene Methode stellt die praktische Wurfbeanspruchung
von Papiersäcken im kleinen dar. Dabei läßt jedoch die angegebene kegelförmige Bodenplatte
20 Beanspruchungen des Papiers zustande kommen, die zu einem wesentlichen Teil senkrecht
auf die Papieroberfläche wirkten. Auch auf diesem Wege lassen sich daher verhältnismäßig
sichere Prüfergebuisse erzielen.
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Statt Papier können auch andere Materialien in der erfindungsgemäßen
Weise geprüft werden. Es kommen insbesondere solche Materialien in Frage, die keine
elastische Verfonnbarkeit von ins Gewicht fallender Größe besitzen. Als solche Materialien
können beispielsweise Metallfolien, z.B. aus Aluminium, in Frage kommen, wie sie
zweckmäßigerweise für Wickelkondensatoren benutzt werden.
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Auch auf Kunststoffolien von sehr geringer Elastizität bezieht sich
die Erfindung.