EP4619728A1 - Testeinrichtung zur durchführung einer mechanischen belastungsprüfung an einem prüfling - Google Patents

Testeinrichtung zur durchführung einer mechanischen belastungsprüfung an einem prüfling

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EP4619728A1
EP4619728A1 EP23809539.2A EP23809539A EP4619728A1 EP 4619728 A1 EP4619728 A1 EP 4619728A1 EP 23809539 A EP23809539 A EP 23809539A EP 4619728 A1 EP4619728 A1 EP 4619728A1
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EP
European Patent Office
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receiving component
rod
test
test device
load
Prior art date
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Pending
Application number
EP23809539.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias STAMMLER
Filip KOVACEVIC
Karsten Behnke
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4619728A1 publication Critical patent/EP4619728A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/04—Chucks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0014—Type of force applied
    • G01N2203/0016—Tensile or compressive
    • G01N2203/0019—Compressive
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0073—Fatigue
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    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
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    • G01N2203/0085—Compressibility
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/025—Geometry of the test
    • G01N2203/0252—Monoaxial, i.e. the forces being applied along a single axis of the specimen

Definitions

  • Test device for carrying out a mechanical stress test on a test specimen
  • the object of the following disclosure is therefore to describe a particularly advantageous test device. This object is achieved by the test device described in claim 1 for carrying out a mechanical stress test on a test object and the method described in claim 13.
  • the test device comprises a receiving component which has a cavity for receiving the test object and a loading arrangement for loading the receiving component with a tensile force by means of a working cylinder, wherein the working cylinder is mechanically connected to the receiving component via a rod.
  • the loading arrangement further comprises a pre-tensioning unit which is designed to load the rod with a tensile force.
  • test device Preferred embodiments of the test device are described below.
  • only a part of the rod is subjected to tensile stress by the pre-tensioning unit.
  • the part of the rod which is also subjected to a tensile load when the working cylinder is subjected to a force is subjected to the tensile load by the preloading unit.
  • one end of the rod is connected to the receiving component in a form-fitting manner.
  • an end of the spacing element facing the receiving component is supported on an outer wall of the receiving component.
  • the receiving component has an internal thread for form-fitting fixation and the rod is designed as a bolt that is screwed into the internal thread.
  • the pre-tensioning unit additionally or alternatively comprises a tensioning element which is supported on an end of the spacer element facing away from the receiving component and by means of which one end of the rod can be moved relative to the opposite end of the rod. This serves to load the rod with a tensile force.
  • the clamping element can be designed in different ways.
  • the clamping element has an internal thread and is screwed onto an external thread of the rod using this internal thread.
  • the clamping element is a screw nut. In other embodiments, it is a SuperBolt clamping device.
  • the working cylinder additionally or alternatively has a hollow piston, wherein the rod and the spacing element are arranged in an interior of the hollow piston.
  • the spacing element has, alternatively or additionally, a projection behind which the working cylinder engages in order to load the receiving component with a tensile force.
  • the projection is designed as a collar. Additionally or alternatively, in some of these variants, the projection is designed as a contact surface for the clamping element from another side, which is opposite a side for the working cylinder to engage behind.
  • the spacing element comprises, additionally or alternatively, a sleeve that encloses the rod.
  • the spacing element is designed as a sleeve that encloses the rod, and the working cylinder has a hollow space, wherein the rod and the spacing element are arranged in an interior of the hollow piston.
  • the working cylinder is a hydraulic cylinder, wherein the sleeve forms an outer wall of a pressure chamber of the hydraulic cylinder.
  • the loading arrangement additionally or alternatively comprises two working cylinders that are positioned along a tensile axis on opposite sides of the receiving component. This is advantageous in order to load the receiving component and thus the test object symmetrically from two opposite sides. Furthermore, this makes it possible to apply defined tensile forces that can be adjusted using the working cylinders to the receiving component.
  • both working cylinders support on contact surfaces on opposite sides of a support element, whereby the contact surfaces are designed as planar contact surfaces perpendicular to the pulling axis. Due to the alignment of the contact surfaces, they have a self-centering effect with regard to the pulling direction of the working cylinders. In addition, parasitic loads are reduced by the planar contact surfaces, which do not force the working cylinders into a position.
  • the support element at least partially encloses the receiving component.
  • the test device is a test device for carrying out a mechanical load test on a component of a wind turbine.
  • the test device is additionally or alternatively a test device for carrying out a mechanical load test on cylindrically symmetrical components such as rolling bearings or shafts.
  • the receiving component is alternatively or additionally designed in the form of a hollow cylinder.
  • the receiving component is designed and/or the working cylinder with the rod is arranged such that the tensile force acts in a radial direction of the cylindrically symmetrical component.
  • the procedure includes the following steps:
  • the method has the same advantages as the one described above Test facility.
  • the load test is carried out using two working cylinders, which apply a tensile force to the receiving component from opposite sides using a rod, with both working cylinders always being subjected to a force during the load test.
  • This procedure is particularly advantageous because by applying a force to both cylinders, one of the cylinders can be prevented from blocking.
  • both working cylinders are each subjected to a minimum pressure of 20 bar during the load test. Preventing blocking ensures that the receiving component is loaded essentially in one direction and can reliably pass the introduced force on to other components. If the cylinders were blocked, an undesirable deformation of the receiving component could occur.
  • both rods are preloaded alternatively or additionally.
  • test device according to one of the claims described above is used.
  • Fig. 1 shows a cross-section of an embodiment of a test device for carrying out a mechanical stress test on a test specimen
  • Fig. 2 shows an illustration of the mode of operation of a pretensioning unit of the test device shown in Fig. 1;
  • Fig. 3 shows a method for performing a mechanical stress test on a test specimen
  • Fig. 4 shows a modified procedure of the method shown in Fig. 3 for carrying out a mechanical stress test on a test specimen.
  • test device First, an embodiment of a test device will be described with reference to Fig. 1 and Fig. 2.
  • Fig. 1 shows a cross section of an embodiment of a test device 100 for carrying out a mechanical load test on a test object.
  • Fig. 2 shows an illustration of the mode of operation of a pre-tensioning unit of the test device 100 shown in Fig. 1-
  • the test device 100 comprises a receiving component 102 and a loading arrangement.
  • the receiving component 102 has a cavity 102.1 for receiving a test object.
  • the test device 100 is used to carry out a mechanical load test on a shaft for wind turbines.
  • the receiving component 102 is designed in the form of a hollow cylinder so that a shaft to be tested can be introduced into the cavity 102.1.
  • the concept described in the present disclosure can also be used to carry out a mechanical load test on other components, including from other areas of technology.
  • the loading arrangement also included in the test device 100 serves to load the receiving component 102 with a tensile force.
  • the loading device comprises two working cylinders 104A and 104B, which are arranged symmetrically on opposite sides of the receiving component 102.
  • the working cylinders 104A and 104B are hydraulic cylinders in the embodiment shown in Fig. 1. However, other working cylinders such as electric or pneumatic cylinders can also be used.
  • the mechanical power transmission of the working cylinders 104A and 104B is each carried out via a rod 106A and 106B designed as a bolt.
  • the rods 106A and 106B are each connected to the receiving component via a screw thread 102.3A and 102.3B.
  • the working cylinders 104A and 104B are designed as hollow piston cylinders, with the rods 106A and 106B being guided through a hollow space 104A.1 and 104B.1 of one of the working cylinders 104A and 104B. Due to the symmetrical arrangement of the cylinders on opposite sides of the receiving component 102, the receiving component 102 can be loaded with opposite tensile forces along a common tensile axis A. This makes it possible to subject the receiving components 102 (and thus also the test object) to a tensile load under defined test conditions.
  • the loading arrangement comprises two pre-tensioning units 108A and 108B, each of which is assigned to one of the working cylinders or one of the rods.
  • the pre-tensioning units 108A and 108B are designed in such a way that they enable the rods 106A and 106B to be loaded with a tensile force that ensures a basic load on the rods 106A and 106B.
  • the preload units 108A and 108B are constructed identically. Therefore, only the preload unit 108A is discussed below.
  • the preloading unit 108A comprises a spacing element 108A.2 and a tensioning element 108A.1.
  • the spacer element 108A.2 has the shape of a sleeve and encloses a central region of the rod 106A.
  • the spacer element 108A.2 has the function of an end facing the receiving component 102 to fix the rod 106A and to enable a tensile stress of the end of the rod 106A facing away from the receiving component 102 against the fixed end of the rod 106A.
  • the fixation is carried out by supporting an end of the spacing element 108A facing the receiving component 102 on an outer wall 102.2 of the receiving component 102.
  • the tensile stress is produced in the interaction of the spacing element 108A.2 and the tensioning element 108A.1.
  • the spacing element 108A.2 is supported on a planar contact surface 102.4A of the outer wall 102.2 of the receiving component 102, which is only indicated in Fig. 1.
  • the planar contact surface 102.4A is designed to be as perpendicular as possible to the tensile axis A.
  • the clamping element 108A.2 is supported on an end of the spacing element 108A.2 facing away from the receiving component 102 and is designed to move one end of the rod 106A relative to the opposite end of the rod 106A. In the embodiment shown in Fig. 1, this is made possible by using a so-called SuperBolt for the clamping element 108A.1.
  • the clamping element 108A.1 has a central internal thread by means of which the clamping element 108A.1 is screwed onto an end of the rod 106A facing away from the receiving component.
  • the clamping element 108A.1 has a number of pressure screws 108A.1.1, by tightening which the end of the rod 106A facing away from the receiving component can be moved in a direction away from the receiving component 102. As a result of this and the fixation of the end of the rod 106A facing the receiving component, the rod is ultimately subjected to tensile stress.
  • the mode of operation of the pretensioning unit 108A is also shown schematically in Fig. 2.
  • An arrow 120 indicates the preload of the rod 106A. Furthermore, the arrows 122A and 122B indicate a force flow caused by tightening the clamping element 108A.1 of the preload unit 108A. As can be seen in Fig. 2, this is predominantly conducted through the components of the preload unit 108A. The preload force of the rod 106A is therefore not conducted via the cylinders 104A and 104B.
  • the spacing element 108A.2 comprises a projection 108A.2.1 in the form of a collar, behind which the working cylinder engages.
  • the working cylinders 104A and 104B are hollow piston cylinders, each with a hollow space 104A.1 and 104B.1.
  • the spacing element 108A.2 fulfills a dual function in that the spacing element 108A.2 also serves as an outer wall of a pressure chamber 104A.2 of the working cylinder 104A.
  • Fig. 3 shows a method 200 for performing a mechanical stress test on a test specimen.
  • the method 200 comprises three steps.
  • a first step 202 the test object is introduced into a cavity of a receiving component.
  • a rod by means of which a working cylinder is mechanically connected to the receiving component, is prestressed with a tensile force.
  • the load test is then carried out by applying a tensile force to the receiving component by means of the working cylinder.
  • Fig. 4 shows a modified procedure 300 for carrying out a mechanical stress test on a test specimen.
  • the method 300 corresponds in the first two steps to the method 200 from Fig. 2. These two steps are also designated with the same reference symbols. A different procedure for the method 300 takes place primarily in the third step 306.
  • step 306 the load test is carried out by applying a tensile force to the receiving component by means of the working cylinder, whereby two opposing working cylinders are subjected to a force during the load test and both working cylinders are constantly kept under a minimum hydraulic stress of 20 bar during the load test.
  • a defined test condition is also created, as the total force acting on the receiving component can be derived from the forces of the individual working cylinders. This also prevents the working cylinders from becoming blocked in the initial position and/or in the two possible extreme positions. By preventing blocking, it is ensured that the central component is essentially loaded in one direction and can reliably transmit the introduced force to other components. If the cylinders were blocked, an undesirable deformation of the central component could occur.
  • the present disclosure describes a test device (100) for carrying out a mechanical load test on a test object.
  • the test device (100) comprises a receiving structure element (102) which comprises a cavity (102.1) for receiving the test piece and a loading arrangement for loading the receiving component (102) with a tensile force by means of a working cylinder (104A, 104B), wherein the working cylinder (104A, 104B) is mechanically connected to the receiving component (102) via a rod (106A, 106B).
  • the loading arrangement further comprises a pre-tensioning unit (108A, 108B) which is designed to load the rod (106A, 106B) with a tensile force.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Testeinrichtung (100) zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling. Die Testeinrichtung (100) umfassend dabei ein aufnehmendes Bauelement (102), das einen Hohlraum (102.1) zur Aufnahme des Prüflings umfasst und eine Belastungsanordnung zum Belasten des aufnehmenden Bauelementes (102) mit einer Zugkraft mittels eines Arbeitszylinders (104A, 104B), wobei der Arbeitszylinder (104A, 104B) mechanisch über eine Stange (106A, 106B) mit dem aufnehmenden Bauelement (102) verbunden ist. Weiterhin umfasst die Belastungsanordnung weiter eine Vorspanneinheit (108A, 108B), die ausgebildet ist, die Stange (106A, 106B) mit einer Zugkraft zu belasten.

Description

Testeinrichtung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling
Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Testeinrichtung zur Durchfüh- rung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling sowie ein Verfahren zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling.
Bei einer mechanischen Belastungsprüfung werden kontrollierte Kräfte mit- tels eines Teststands, bspw. zum Testen von Wellen von Windenergieanlagen, auf einen Prüfling übertragen, um dessen mechanische Stabilität zu untersuchen. Meist werden für eine Erzeugung der Kräfte Arbeitszylinder, insbesondere Hydraulikzylinder verwendet. Auch auf Komponenten des Teststandes selbst wirken dabei große Kräfte. Die Teststände müssen daher so konstruiert sein, dass diese den Kräften standhalten, um eine lange Lebensdauer des Teststands zu ermöglichen.
Aufgabe der folgenden Offenbarung ist es daher, eine besonders vorteilhafte Testeinrichtung zu beschreiben. Diese Aufgabe wird gelöst durch die in Anspruch 1 beschriebene Testeinrichtung für eine Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling und das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren.
Die Testeinrichtung umfasst dabei ein aufnehmendes Bauelement, das einen Hohlraum zur Aufnahme des Prüflings umfasst sowie eine Belastungsanordnung zur Belastung des aufnehmenden Bauelementes mit einer Zugkraft mittels eines Arbeitszylinders, wobei der Arbeitszylinder mechanisch über eine Stange mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden ist. Die Belastungsanordnung umfasst dabei weiter eine Vorspanneinheit, die ausgebildet ist, die Stange mit einer Zugkraft zu belasten.
Der hier beschriebenen Testeinrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Materialermüdung oftmals desto schneller erfolgt, je größer eine Betriebslaständerung zwischen einem unbelasteten und einem belasteten Zustand einer Komponente ist. Der unbelastete Zustand entspricht hier einem Zustand, bei dem der Arbeitszylinder nicht mit einer Kraft beaufschlagt ist und entsprechend der belastete Zustand einem Zustand der Komponente, bei der der Arbeitszylinder mit einer Kraft beaufschlagt wird. Die Stange als Verbindungselement ist dabei besonders von Materialermüdung betroffen. Durch die Vorspanneinheit kann die Stange nun mit einer Zugkraft vorgespannt werden, so dass auch im unbelasteten Zustand die Stange eine gewisse Betriebslast aufweist. Hierdurch kann die Betriebslaständerung verringert werden.
Es ist zu verstehen, dass die Belastungsanordnung den Arbeitszylinder und die Stange umfasst.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Testeinrichtung beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird nur ein Teil der Stange von der Vorspanneinheit zugbelastet. In einer Variante dieser Ausführungsform wird derjenige Teil der Stange durch die Vorspanneinheit zugbelastet, der auch bei Beaufschlagung des Arbeitszylinders mit einer Kraft zugbelastet wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorspanneinheit, alternativ oder zusätzlich, ein Beabstandungselement, das ein Ende der Stange fixiert und gegen das ein entgegengesetztes Ende der Stange zugverspannbar ist. Insbesondere ist dabei das eine Ende dasjenige Ende der Stange, das dem aufnehmenden Bauelement zugewandt ist.
Im Folgenden werden verschiedene Varianten der Ausführungsform mit einem Beabstandungselement beschrieben.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist das eine Ende der Stange formschlüssig mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden. Zudem stützt sich ein dem aufnehmenden Bauelement zugewandtes Ende des Beab- standungselements an einer Außenwand des aufnehmenden Bauelementes ab. In einigen dieser Varianten umfasst dabei zur formschlüssigen Fixierung das aufnehmende Bauelement ein Innengewinde und die Stange ist als ein Bolzen ausgebildet, der in das Innengewinde eingeschraubt ist.
In zumindest einer dieser Varianten ist dabei das Beabstandungselement, zusätzlich oder alternativ, an einer planaren Anlagefläche der Außenwand abgestützt. Das Abstützen an der planaren Anlagefläche hat dabei den Vorteil einer selbstzentrierenden Ausrichtung des Beabstandungselementes. Zudem reduziert eine planare Anlagefläche bei der das Beanstandungselement nicht auf eine Position gezwungen wird, ein Auftreten von parasitären Kräften.
In einer anderen Variante der Ausführungsform mit Beabstandungselement umfasst die Vorspanneinheit, zusätzlich oder alternativ, ein Spannelement, das sich an einem von dem aufnehmenden Bauelement abgewandten Ende des Beabstandungselements abstützt und mittels dessen das eine Ende der Stange relativ zum entgegengesetzten Ende der Stange bewegt werden kann. Dies dient der Belastung der Stange mit einer Zugkraft.
Das Spannelement kann dabei unterschiedlich ausgestaltet sein. In einer Vari- ante weist das Spannelement ein Innengewinde auf und ist mit diesem Innengewinde auf ein Außengewinde der Stange geschraubt. In einer Ausgestaltung ist das Spannelement dabei eine Schraubenmutter. In anderen Ausgestaltungen eine SuperBolt Spanneinrichtung.
In einer anderen Variante weist der Arbeitszylinder, zusätzlich oder alternativ, einen Hohlkolben auf, wobei die Stange und das Beabstandungselement in einem Inneren des Hohlkolbens angeordnet sind.
In anderen Varianten weist das Beabstandungselement, alternativ oder zusätzlich, einen Vorsprung auf, hinter den der Arbeitszylinder hintergreift, um das aufnehmende Bauelement mit einer Zugkraft zu belasten. Der Vorsprung ist in einigen dieser Varianten als Kragen ausgebildet. Zusätzlich oder alterntiv ist in einigen dieser Varianten der Vorsprung von einer anderen Seite, die einer Seite für das Hintergreifen des Arbeitszylinders gegenüberliegt, als Anlagefläche für das Spannelement ausgebildet.
In einer anderen Variante umfasst das Beabstandungselement, zusätzlich oder alternativ, eine Hülse, die die Stange umschließt.
In einer kombinierten Variante, ist das Beabstandungselement als Hülse ausgebildet, die die Stange umschließt, und der Arbeitszylinder weist einen Hohlraum auf, wobei die Stange und das Beabstandungselement in einem Inneren des Hohlkolbens angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ ist in einigen dieser Varianten der Arbeitszylinder ein Hydraulikzylinder, wobei die Hülse eine Außenwand eines Druckraums des Hydraulikzylinders bildet.
In einer anderen Ausführungsform, umfasst die Belastungsanordnung, zusätzlich oder alternativ, zwei Arbeitszylinder, die entlang einer Zugachse an gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelements positioniert sind. Dies ist vorteilhaft, um das aufnehmende Bauelement und damit den Prüfling symmetrisch von zwei gegenüberliegenden Seiten zu belasten. Weiterhin ermöglicht dies, das aufnehmende Bauelement mit definierten, mittels der Arbeitszylinder einstellbaren Zugkräfte zu beaufschlagen.
In einer Variante dieser Ausführungsform, stützen sich beide Arbeitszylinder an Anlageflächen an gegenüberliegenden Seiten eines Stützelementes ab, wobei die Anlageflächen als planare Anlageflächen senkrecht zur Zugachse ausgebildet sind. Durch die Ausrichtung der Anlageflächen haben diese eine selbstzentrierende Wirkung bzgl. der Zugrichtung der Arbeitszylinder. Außerdem werden durch die planare Anlageflächen, die die Arbeitszylinder nicht in eine Position zwingen, parasitäre Lasten reduziert. In einigen Ausgestaltungen dieser Variante umschließt das Stützelement zumindest teilweise das aufnehmende Bauelement.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Testeinrichtung um eine Testeinrichtung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einer Komponente einer Windenergieanlage. In einer anderen Ausführungsform handelt es sich, zusätzlich oder alternativ, bei der Testeinrichtung um eine Testeinrichtung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an zylindersymmetrischen Bauelementen wie beispielsweise Wälzlagern oder Wellen. In Ausführungsformen ist hierzu das aufnehmende Bauelement, alternativ oder zusätzlich, in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist, alternativ oder zusätzlich, das aufnehmende Bauelement ausgebildet und/oder der Arbeitszylinder mit der Stange so angeordnet, dass die Zugkraft in einer radialen Richtung des zylindersymmetrischen Bauelementes wirkt.
Im Folgenden wird das oben bereits genannte Verfahren zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling beschrieben.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Einbringen des Prüflings in einen Hohlraum eines aufnehmenden Bauelements;
Durchführen der Belastungsprüfung durch Belasten des aufnehmenden Bauelementes mit einer Zugkraft mittels eines Arbeitszylinders, der mechanisch mittels einer Stange mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden ist; wobei vor dem Beaufschlagen des aufnehmenden Bauelementes die Stange mittels einer Zugkraft vorgespannt wird.
Das Verfahren weist die gleichen Vorteile auf, wie die oben beschriebene Testeinrichtung.
In einer Ausführungsform des Verfahren erfolgt die Durchführung der Belastungsprüfung mittels zweier Arbeitszylinder, die das aufnehmende Bauelement mittels jeweils einer Stange von gegenüberliegenden Seiten mit einer Zugkraft beaufschlagen, wobei während der Belastungsprüfung immer beide Arbeitszylinder mit einer Kraft beaufschlagt werden. Diese Verfahrensführung ist besonders vorteilhaft, weil durch die Beaufschlagung beider Zylinder mit einer Kraft, ein auf Block gehen eines der Zylinder verhindert werden kann. In einer Variante dieser Ausführungsform werden beide Arbeitszylinder während der Durchführung der Belastungsprüfung mit jeweils einem minimalen Druck von 20 bar beaufschlagt. Durch das Verhindern des Blockierens wird dafür gesorgt, dass das aufnehmende Bauteil im Wesentlichen in eine Richtung belastet wird und die eingeleitete Kraft zuverlässig an weitere Bauteile weiterleiten kann. Wären die Zylinder auf Block, so könnte sich eine ungewünschte Deformation des aufnehmenden Bauteils einstellen. In einer weiteren Variante werden alternativ oder zusätzlich beide Stangen vorgespannt.
In einer weiteren Ausführungsform wird alternativ oder zusätzlich zum Durchführen der mechanischen Belastungsprüfung eine Testeinrichtung nach einem der oben beschriebenen Ansprüche verwendet.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Testeinrichtung sowie des Verfahrens anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Dazu wird zunächst eine Übersicht der Figuren gegeben.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Testeinrichtung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling;
Fig. 2 zeigt eine Illustration zur Wirkweise einer Vorspanneinheit der in Fig. 1 gezeigten Testeinrichtung;
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zum Durchführen einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling; und Fig. 4 zeigt eine modifizierte Verfahrensführung des in Fig. 3 gezeigten Verfahrens zum Durchführen einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling.
Im Folgenden werden die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben.
Zunächst soll dazu ein Ausführungsbeispiel einer Testvorrichtung anhand von Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Testeinrichtung 100 zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling. Fig. 2 zeigt eine Illustration zur Wirkweise einer Vorspanneinheit der in Fig. 1 gezeigten Testeinrichtung 100-
Die Testeinrichtung 100 umfasst ein aufnehmendes Bauelement 102 sowie eine Belastungsanordnung.
Das aufnehmende Bauelement 102 weist einen Hohlraum 102.1 zur Aufnahme eines Prüflings auf. Im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dient die Testeinrichtung 100 zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einer Welle für Windenergieanlagen. Hierzu ist das aufnehmende Bauelement 102 in der Form eines Hohlzylinders gestaltet, so dass eine zu prüfende Welle in den Hohlraum 102.1 eingebracht werden kann. Das in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Konzept kann jedoch auch zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an anderen Bauelementen, auch aus anderen Bereichen der Technik, verwendet werden.
Die von der Testeinrichtung 100 ebenfalls umfasste Belastungsanordnung dient zum Belasten des aufnehmenden Bauelementes 102 mit einer Zugkraft. Hierzu umfasst die Belastungseinrichtung zwei Arbeitszylinder 104A und 104B, die symmetrisch an einander gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelementes 102 angeordnet sind. Die Arbeitszylinder 104A und 104B sind in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel Hydraulikzylinder. Es können aber auch andere Arbeitszylinder wie beispielsweise Elektro- oder Pneumatikzylinder verwendet werden. Die mechanische Kraftübertragung der Arbeitszylinder 104A und 104B erfolgt jeweils über eine als Bolzen ausgebildete Stange 106A und 106B. Die Stangen 106A und 106B sind jeweils über ein Schraubgewinde 102.3A und 102.3B mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden. Um eine kompakte und damit platzsparende Anordnung der Testeinrichtung 100 zu ermöglichen, sind die Arbeitszylinder 104A und 104B als Hohlkolbenzylinder ausgebildet, wobei die Stangen 106A und 106B durch einen Hohlraum 104A.1 und 104B.1 jeweils eines der Arbeitszylinder 104A und 104B geführt sind. Durch die symmetrische Anordnung der Zylinder an einander gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelementes 102 kann das aufnehmende Bauelement 102 mit entgegengesetzten Zugkräften entlang einer gemeinsamen Zugachse A belastet werden. Hierdurch ist es möglich, das aufnehmenden Bauelementen 102 (und damit auch den Prüfling) mit einer Zugbelastung unter definierten Testbedingungen zu belasten.
Bei der Belastung des aufnehmenden Bauelementes 102 durch die Arbeitszylinder 104A und 104B mit einer Zugspannung werden auch die Stangen 104A und 104B unter Zugspannung gesetzt. Ein häufiger Wechsel zwischen Be- und Entlastung der Stangen 106A und 106B kann zu einer beschleunigten Materialermüdung führen. Um der Materialermüdung vorzubeugen, umfasst die Belastungsanordnung zwei Vorspanneinheiten 108A und 108B, die jeweils einem der Arbeitszylinder bzw. einer der Stangen zugeordnet sind. Die Vorspanneinheiten 108A und 108B sind dabei so ausgebildet, dass sie es ermöglichen, die Stangen 106A und 106B mit einer Zugkraft zu belasten, die für eine Grundbelastung der Stangen 106A und 106B sorgt. Durch die Grundbelastung der Stangen 106A und 106B sind Differenzen in der Belastung der Stangen 106A und 106B zwischen Phasen der Be- und Entlastung mit den Arbeitszylindern 104A und 104B weniger groß. Sie Vorspanneinheiten 108A und 108B sind identisch aufgebaut. Deswegen wird im Folgenden nur auf die Vorspanneinheit 108A eingegangen.
Zur Herstellung der Grundbelastung umfasst die Vorspanneinheit 108A ein Beabstandungselement 108A.2 und ein Spannelement 108A.1.
Das Beabstandungselement 108A.2 hat die Form einer Hülse und umschließt einen mittleren Bereich der Stange 106A. Das Beabstandungselement 108A.2 hat die Funktion, ein dem aufnehmenden Bauelement 102 zugewandtes Ende der Stange 106A zu fixieren und eine Zugverspannung des dem aufnehmenden Bauelement 102 abgewandten Endes der Stange 106A gegen das fixierte Ende der Stange 106A zu ermöglichen. Die Fixierung erfolgt dabei durch ein Abstützen eines dem aufnehmenden Bauelement 102 zugewandten Endes des Beabstandungselements 108A an einer Außenwand 102.2 des aufnehmenden Bauelementes 102. Die Herstellung der Zugverspannung erfolgt im Zusammenspiel des Beanstandungselementes 108A.2 und des Spannelementes 108A.1. Das Beabstandungselement 108A.2 stützt sich dabei an einer planaren Anlagefläche 102.4A der Außenwand 102.2 des aufnehmenden Bauelementes 102 ab, die in Fig. 1 nur angedeutet ist. Die planare Anlagefläche 102.4A ist dabei weitestgehend senkrecht zur Zugachse A ausgebildet.
Das Spannelement 108A.2 stützt sich an einem von dem aufnehmenden Bauelement 102 abgewandten Ende des Beabstandungselements 108A.2 ab und ist ausgebildet das eine Ende der Stange 106A relativ zum entgegengesetzten Ende der Stange 106A zu bewegen. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist dies dadurch ermöglicht, dass für das Spannelement 108A.1 ein sogenannter SuperBolt verwendet wird. Das Spannelement 108A.1 weist dabei ein zentrales Innengewinde auf, mittels dem das Spannelement 108A.1 auf ein von dem aufnehmenden Bauelement abgewandten Ende der Stange 106A aufgeschraubt ist. Zusätzlich weist das Spannelement 108A.1 eine Anzahl von Druckschrauben 108A.1.1 auf, durch deren Anziehen das dem aufnehmenden Bauelement abgewandte Ende der Stange 106A in eine Richtung weg vom aufnehmenden Bauelement 102 verschoben werden kann. Hierdurch und durch die Fixierung des dem aufnehmenden Bauelement zugewandten Endes der Stange 106A wird die Stange im Resultat zugverspannt.
Die Wirkweise der Vorspanneinheit 108A ist auch noch einmal schematisch in Fig. 2 dargestellt.
Darin ist durch einen Pfeil 120 die Vorspannung der Stange 106A angedeutet. Weiterhin deuten die Pfeile 122A und 122B einen durch ein Anziehen des Spannelementes 108A.1 der Vorspanneinheit 108A verursachten Kraftfluss an. Dieser wird, wie in Fig. 2 zu sehen ist, überwiegend durch die Komponenten der Vorspanneinheit 108A geleitet. Die Vorspannkraft der Stange 106A wird somit nicht über die Zylinder 104A und 104B geleitet. Zur Beanspruchung des aufnehmenden Bauelementes 102 mit einer Zugkraft durch den Arbeitszylinder 104A umfasst das Beabstandungselement 108A.2 ein Vorsprung 108A.2.1 in Form eines Kragens, hinter den der Arbeitszylinder hintergreift. Wie bereits oben beschrieben wurde, handelt es sich bei den Arbeitszylindern 104A und 104B um Hohlkolbenzylinder mit jeweils einem Hohlraum 104A.1 und 104B.1. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfüllt das Beabstandungselement 108A.2 eine Doppelfunktion, in dem das Beabstandungselement 108A.2 zusätzlich auch als eine Außenwand eines Druckraums 104A.2 des Arbeitszylinders 104A dient.
Die Arbeitszylinder 104A und 104B stützen sich an jeweils einer Anlagefläche 110.1A und 110.1B an gegenüberliegenden Seiten eines Stützelementes 110 ab. Die Anlageflächen 110.1A und 110.1B sind dabei senkrecht zur Zugachse ausgebildet. Hierdurch wirken die Anlageflächen 110.1A und 110.1B selbstzentrierend auf die Arbeitszylinder 104A und 104B.
Im Folgenden wird anhand der Fig. 3 und der Fig. 4 eine Verfahrensführung zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling beschrieben.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren 200 zum Durchführen einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling.
Das Verfahren 200 umfasst drei Schritte. In einem ersten Schritt 202 wird der Prüfling in einen Hohlraum eines aufnehmenden Bauelements eingebracht. In einem zweiten Schritt 204 eine Stange, mittels der ein Arbeitszylinder mechanisch mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden ist, mit einer Zugkraft vorgespannt. In einem dritten Schritt 206 wird dann die Belastungsprüfung durch Beaufschlagen des aufnehmenden Bauelementes mit einer Zugkraft mittels des Arbeitszylinders durchgeführt.
Besonders bei einer symmetrischen Anordnung von mindestens zwei Arbeitszylindern auf gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelements ist jedoch die Gefahr gegeben, dass durch das Beaufschlagen des einen Arbeits- Zylinders, der andere Arbeitszylinder auf Block geht, wodurch die Testeinrichtung im Folgenden nur eingeschränkt genutzt werden kann. Aus diesem Grund ist bei einer Anordnung von Arbeitszylindern an gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelementes auch eine modifizierte Verfahrensführung vorteilhaft. Diese wird im Folgenden anhand von Fig. 3 erklärt.
Fig. 4 zeigt eine modifizierte Verfahrensführung 300 zum Durchführen einer mechanischen Belastungsprüfung en einem Prüfling.
Das Verfahren 300 stimmt dabei in den ersten beiden Schritten überein mit dem Verfahren 200 aus Fig. 2. Diese beiden Schritte sind auch mit den gleichen Referenzzeichen bezeichnet. Eine abweichende Verfahrensführung des Verfahrens 300 findet in erster Linie im dritten Schritt 306 statt.
In Schritt 306 wird die Belastungsprüfung durch Beaufschlagen des aufnehmenden Bauelementes mit einer Zugkraft mittels des Arbeitszylinders durchgeführt, wobei während der Belastungsprüfung zwei gegenüberliegende Arbeitszylinder mit einer Kraft beaufschlagt und beide Arbeitszylinder während der Belastungsprüfung ständig unter einer minimalen Hydraulikspannung von 20 bar gehalten werden.
Durch die Beaufschlagung zweier gegenüberliegender Arbeitszylinder wird ebenfalls eine definierte Testbedingung geschaffen, dadurch dass die auf das aufnehmende Bauelement wirkende Gesamtkraft aus den Kräften der einzelnen Arbeitszylinder abgeleitet werden kann. Weiterhin wird hierdurch ein Auf-Block-Gehen der Arbeitszylinder in der Ausgangslage und/oder in den beiden möglichen Extremlagen verhindert. Durch das Verhindern des Blockierens wird dafür gesorgt, dass das zentrale Bauteil im Wesentlichen in eine Richtung belastet wird und die eingeleitete Kraft zuverlässig an weitere Bauteile weiterleiten kann. Wären die Zylinder auf Block, so könnte sich eine ungewünschte Deformation des zentralen Bau-teils einstellen.
Zusammenfassend beschreibt die vorliegende Offenbarung eine Testeinrichtung (100) zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling. Die Testeinrichtung (100) umfassend dabei ein aufnehmendes Bau- element (102), das einen Hohlraum (102.1) zur Aufnahme des Prüflings umfasst und eine Belastungsanordnung zum Belasten des aufnehmenden Bauelementes (102) mit einer Zugkraft mittels eines Arbeitszylinders (104A, 104B), wobei der Arbeitszylinder (104A, 104B) mechanisch über eine Stange (106A, 106B) mit dem aufnehmenden Bauelement (102) verbunden ist. Weiterhin umfasst die Belastungsanordnung weiter eine Vorspanneinheit (108A, 108B), die ausgebildet ist, die Stange (106A, 106B) mit einer Zugkraft zu belasten.

Claims

1. Testeinrichtung (100) zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling, umfassend: ein aufnehmendes Bauelement (102), das einen Hohlraum (102.1) zur Aufnahme des Prüflings umfasst, und eine Belastungsanordnung zur Belastung des aufnehmenden Bau-ele- mentes (102) mit einer Zugkraft mittels eines Arbeitszylinders (104A, 104B), wobei der Arbeitszylinder (104A, 104B) mechanisch über eine Stange (106A, 106B) mit dem aufnehmenden Bauelement (102) verbunden ist, und wobei die Belastungsanordnung weiter eine Vorspanneinheit (108A, 108B) umfasst, die ausgebildet ist, die Stange (106A, 106B) mit einer Zugkraft zu belasten.
2. Testeinrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Vorspanneinheit (104A) ein Beabstandungselement (104A.2) umfasst, das ein Ende der Stange (106A) fixiert und gegen das ein entgegengesetztes Ende der Stange (106A) zugverspannbar ist.
3. Testeinrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei das eine Ende der Stange (106A) formschlüssig mit dem aufnehmenden Bauelement (102) verbunden ist und sich ein dem aufnehmenden Bauelement (102) zugewandtes Ende des Beabstandungselements (108A.2) an einer Außenwand (102.2) des aufnehmenden Bauelementes (102) abstützt.
4. Testeinrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei sich das Beabstandungselement (108A.2) an einer planaren Anlagefläche (102.4A) der Außenwand (102.2) abstützt.
5. Testeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Vorspanneinheit (108A) ein Spannelement (108A.1) umfasst, das sich an einem von dem aufnehmenden Bauelement (102) abgewandten Ende des Beabstandungselements (108A.2) abstützt und mittels dessen das eine Ende der Stange (106A) relativ zum entgegengesetzten Ende der Stange (106A) bewegt werden kann.
6. Testeinrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei das Spannelement (108A.1) ein Innengewinde aufweist und mit dem Innengewinde auf ein Außengewinde der Stange (106A) geschraubt ist.
7. Testeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Arbeitszylinder (104A, 104B) einen Hohlkolben aufweist und die Stange (106A, 106B) und das Beabstandungselement (108A.2, 108B.2) in einem Inneren des Hohlkolbens angeordnet sind.
8. Testeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Beabstandungselement (108A.2, 108B.2) einen Vorsprung (108A.2.1) aufweist, hinter den der Arbeitszylinder (104A, 104B) hintergreift, um das aufnehmende Bauelement (102) mit einer Zugkraft zu belasten.
9. Testeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das Beabstandungselement (108A.2) eine Hülse umfasst, die die Stange (106A) umschließt.
10. Testeinrichtung (100) nach Anspruch 7 und 9, wobei der Arbeitszylinder (104A) ein Hydraulikzylinder ist und die Hülse eine Außenwand eines Druckraums (104A.2) des Hydraulikzylinders (104A) bildet.
11. Testeinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Belastungsanordnung zwei Arbeitszylinder (104A, 104B) umfasst, die entlang einer Zugachse (A) an gegenüberliegenden Seiten des aufnehmenden Bauelements (102) positioniert sind.
12. Testeinrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei beide Arbeitszylinder (104A, 104B) sich an Anlageflächen (110.1A) an gegenüberliegenden Seiten eines Stützelementes (110) abstützen, und wobei die Anlageflächen (110.1B) als planare Anlageflächen senkrecht zur Zugachse (A) ausgebildet sind.
13. Verfahren (200) zur Durchführung einer mechanischen Belastungsprüfung an einem Prüfling, umfassend die folgenden Schritte:
Einbringen des Prüflings in einen Hohlraum eines aufnehmenden Bauelements (202); Durchführen der Belastungsprüfung durch Belasten des auf-nehmen- den Bauelementes mit einer Zugkraft mittels eines Arbeitszylinders, der mechanisch mittels einer Stange mit dem aufnehmenden Bauelement verbunden ist (206); wobei vor dem Belasten des aufnehmenden Bauelementes die Stange mittels einer Zugkraft vorgespannt wird (204).
14. Verfahren (300) nach Anspruch 13, wobei die Durchführung der Belastungsprüfung mittels zweier Arbeitszylinder erfolgt, die das aufnehmende Bauelement mittels jeweils einer Stange von gegenüberliegenden Seiten mit einer Zugkraft beaufschlagen, wobei während der Belastungsprüfung immer beide Arbeitszylinder mit einer Kraft beaufschlagt werden (306).
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