WO2014072020A1 - Vorrichtung, die zur eigenfortbewegung längs einer tragstruktur befähigt ist, sowie deren verwendung - Google Patents

Vorrichtung, die zur eigenfortbewegung längs einer tragstruktur befähigt ist, sowie deren verwendung Download PDF

Info

Publication number
WO2014072020A1
WO2014072020A1 PCT/EP2013/003167 EP2013003167W WO2014072020A1 WO 2014072020 A1 WO2014072020 A1 WO 2014072020A1 EP 2013003167 W EP2013003167 W EP 2013003167W WO 2014072020 A1 WO2014072020 A1 WO 2014072020A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
support structure
joining
module
unit
vibrations
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/003167
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Melz
Thorsten Koch
Holger Hanselka
Roland PLATZ
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2014072020A1 publication Critical patent/WO2014072020A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0008—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings of bridges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0033—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining damage, crack or wear
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0066—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by exciting or detecting vibration or acceleration

Definitions

  • the invention relates to a device which is capable of self-propagation along a support structure, with at least two joining modules, each actuatable actuable to form a releasably tight positive connection with the support structure, and at least one proporally variable in its length propulsion module along the one another spaced the at least two
  • Modern mechanical structures such as structures or similar supporting functions acquiring units must usually at least two Comply with competing interpretation criteria, namely to be formed as lightweight as possible and on the other hand have the highest possible resistance to dynamic and stationary loads.
  • Comply with competing interpretation criteria namely to be formed as lightweight as possible and on the other hand have the highest possible resistance to dynamic and stationary loads.
  • Mass gain This clearly goes against the aspirations of increasing lightweight construction.
  • a very typical application example in general mechanical engineering are mechanical structural structures, such as e.g. Bridges or struts supporting structures.
  • the sensor means via the current
  • Vibration state of the support tube is able to detect.
  • flanges are attached directly to the support tube, which are coaxial with the
  • Support tube oriented, piezoelectric material-containing rod elements are connected, the length of which is variable by electrical activation. Depending on the sensory vibration state of the support tube assets
  • variable-length elements with a correspondingly more coordinated
  • a further device for influencing the mechanical strength of a technical element is disclosed in WO 2006/122821 A1, in which at least one sensor and an actuator are integrated in the technical element, which on the basis of at least one element life-increasing Target function depending on the detected state of the element element occasionally bring about a load or discharge within the technical element, ie locally stiffen the technical element or increase the element elasticity locally.
  • the object of the invention is to specify a measure to be applied or to be applied to a support structure, with which it is possible to carry out a stabilizing influence directed at the support structure, which is the
  • the concept according to the solution makes use of the means of adaptronics, ie the sensory detection and monitoring of the support structure as well as the influence of the actuators on the support structure, in each case depending on a qualitative one Evaluation of the sensory detected actual vibration state, however, turns away from the known concept of a multilocal integration of a plurality of individual sensor-actuator components within the mechanical support structure, as is apparent from the above publication WO 2006/122821 A1, and proposes a longitudinally to the supporting structure self-propelled device, it is able to investigate the support structure with respect to mechanical damage and to localize accordingly upon detection of such defects.
  • the device In the case of a localized damaged area, in which structural damage has already occurred or at least an increased damage potential has been found, the device is able to move autonomously to the location of the damage and to position it in such a way on site by mechanical engagement with the supporting structure to stabilize them.
  • Support structure stabilization in terms of both a mechanical reinforcement and alternatively or in combination of a vibration-reducing damping of the support structure is used.
  • the device according to the invention which is capable of traveling on its own along a support structure, has at least two joining modules, each of which can be actuated actuatively in order to form a releasably tight positive connection with the support structure. Furthermore, at least one propulsion module variable in its length is provided, along which the at least two joining modules are arranged at a distance from each other. At least one of the two joining modules is in operative connection with a unit for detecting mechanical oscillations, which is able to detect vibrations of the supporting structure via the at least one joining module and to convert them into electrical vibration signals.
  • the electrical vibration signals are transferable to an evaluation and control unit which generates based on at least the vibration signals control signals that are used for actuator actuation of the at least two joining modules and the propulsion module.
  • Vibration forms include, which may occur within the support structure, such as. Bending vibrations, structure-borne noise, surface waves or oscillations, thickness vibrations, Lamb waves, longitudinal and torsional vibrations etc ..
  • Both joining modules connected via the propulsion module each have at least two clamping jaws, via which the respective joining module is able to enter into a releasably strong frictional connection, forming a force-loaded positive connection with the supporting structure. Opening and closing the
  • Clamping jaws both joining modules is preferably carried out in each case by actuation of a standing with the jaws in operative connection Fest stressesaktors.
  • the preferably piezoelectric or magnetostrictive material having
  • the propulsion module also has at least one solid-state actuator whose change in shape initiated by electrical activation serves to change the length of the propulsion module and thus is used to change the distance of both joining modules mounted along the propulsion module.
  • the energy converter principle of converter materials In a preferred embodiment of the unit for detecting mechanical vibrations, the energy converter principle of converter materials,
  • the unit for detecting mechanical vibrations via a piezoelectric or magnetostrictive component which is in a vibration-resistant composite with the at least one joining module, so that over the
  • Joining module recorded support structure side vibrations can be converted into technically evaluable vibration signals.
  • the piezoelectric or magnetostrictive component is designed as a separate module to the joining module, whose electrical oscillation signals
  • Propulsion module is in mechanical operative connection.
  • Control unit is able to analyze the electrical vibration signals on the basis of an evaluation algorithm evaluating the integrity of the support structure, so that on the basis of the support structure side
  • Vibrations can be determined whether the support structure damage in the sense of mechanical vulnerabilities or damage already occurred in the form of cracks or fractures. Such vulnerabilities affect the
  • An unequivocal damage detection within a support structure on the basis of the detection of vibrations inherent in the structure can advantageously be improved by a deliberately controlled vibration excitation of the support structure. For this purpose, it is necessary to bring the support structure in operative connection with at least one unit for generating mechanical vibrations.
  • the vibration-inducing unit it is sufficient to couple the vibration-inducing unit to the support structure at at least one, preferably easily accessible location.
  • eigenforschiswen device provided unit for the detection of mechanical vibrations, as explained above, detected and evaluated accordingly.
  • the weak point is localized within the support structure by way of further signal evaluation, so that the control unit controls the actuator actuation of the at least two joint modules on the basis of the evaluation result and the propulsion module for moving the device along the support structure generated. While the solution according to the device moves along the support structure, at least one joining module is always in a form-fitting
  • Frictional connection to the support structure on the one hand to ensure a secure hold of the device to the support structure, on the other hand, a changing in the way of relative movement of the device along the support structure,
  • the device according to the invention If the device according to the invention is located at the point of weakness or damage, then the at least two joining modules are activated in such a way that they each have a fixed, positive fit with the supporting structure
  • the joint modules and the propulsion module are in a mechanically rigid body composite, through which a weak point of the support structure relieving, extending parallel to the support structure extending force path.
  • the unit for detecting mechanical vibrations in addition to the unit for detecting mechanical vibrations, the unit for
  • At least one solid-state actuator which serves for actuation of the at least one joining module or the propulsion module is at least used as a sensory component for the unit for detecting mechanical vibrations. If a joining module is in a fixed form-locking adhesion with the supporting structure, the solid-state actuator that can be assigned to this joining module is automatically removed by the
  • the evaluation and control unit can be fed.
  • the solid state actuator of the respective joining module can be used for the purpose of generating mechanical vibrations by subjecting the solid state actuator in the state of the fixed positive adhesion of the respective joining module of a high-frequency electrical excitation voltage, whereby the solid state actuator is able to initiate high-frequency oscillations in the supporting structure, without doing so the adhesion of the joining module with the
  • piezoelectric material solid state actuators of the joint modules and / or the propulsion module in alternative or combined Mode of operation for the purposes of generating as well as the detection of mechanical vibrations to use.
  • the evaluation and control unit is designed as it were with regard to the most compact and system-integrated realization of the device as an integral part of the device and preferably in the form of a
  • chip-based computer unit configured in which the operation of corresponding peripheral components, such as. Data and energy storage are included.
  • the realization of the device according to the invention is also conceivable with an evaluation unit designed separately from the device, which is in data exchange by means of wireless communication with a communication unit provided on the device, preferably in the form of a radio link.
  • the electrical vibration signals detected with the aid of the unit for the detection of mechanical vibrations are transmitted to the external evaluation unit, in which the vibration-based signals are evaluated for purposes of support structure monitoring and weak point detection as well as damage detection.
  • weak or weak points detected detected at the same time a computer-based localization of the vulnerability within the support structure relative to the location of the device on the support structure, so that control signals are transmitted from the side of the external evaluation unit to the device using a
  • the evaluation of the detected mechanical oscillations takes place in a preferred embodiment within the framework of a comparison with stored reference oscillation patterns, which are based on a reference support structure
  • Fig. 1 self-propelled device along a pipe
  • FIG. 2 perspective sectional view of the illustrated in Figure 1a
  • FIG. 1 illustrates a device 1 designed in accordance with the invention, which is capable of carrying out a bidirectionally oriented autonomous movement within a tubular support structure 2.
  • the device 1 has two actuatorically operable joining modules 3, 4 which are each joined to the front side of a likewise actuatable so-called. Both frontally mounted on the propulsion module 5 joining modules 3, 4 are identical
  • Each jaw 6, 7, 6 ' , 7 ' has an on the
  • Inner contour of the tubular support structure 2 adapted jaw contour 61, 71, 61 ', 71 ' , which has the shape of a circular segment in the illustrated case.
  • Jaws 6, 7 and 6 ' , 7 ' have transversely to the tube longitudinal axis R mutually overlapping, L-shaped support structures 62, 72 and 62 ' , 72 ' .
  • Pipe longitudinal axis R is oriented.
  • the longitudinal extension of the solid-state actuator 8, 9 also corresponds to the Aktorwirkcardi, d. H. that direction that at
  • Actuation of the solid-state actuator corresponds to the technically usable change in length.
  • this expands along its longitudinal extension and is able to move toward each other by the respective end-face contacting on their L-shaped support structures 62, 72 and 62 ' , 72 ', respectively, the jaws 6, 7 Baking contours 61, 71 and 61 ' , 71 ' occupy a radially spaced state to the inner wall of the tubular support structure 2 a.
  • the solid-state actuator 8, 9 If, on the other hand, the solid-state actuator 8, 9 is deactivated, it is shortened, with spring elements 10, 11 or 10 ' , 11 ' additionally provided between corresponding support flanks of both clamping jaws 6, 7 and 6 ' , 7 ' , both in the direction of the inner wall the tubular support structure 2 is able to press. In this state, the corresponding joining module is in a firmly positive adhesion with the inner wall of the tubular support structure. 2
  • the propulsion module 5 the structure of which can be seen in FIG. 2, has two hollow cylinder sections 12, 13 slidably mounted in one another, which are each connected on one side to a support plate 14, 15. Within the hollow cylinder-shaped section 13 located inside, there is introduced a solid-state actuator 16, which can be assigned to the propulsion module 5 and whose end faces are each one
  • the solid-state actuator 16 is biased by means of springs 17, 18, which are each mounted between the support plates 14, 15, in the longitudinal direction, which also corresponds to the tube longitudinal axis R, exerting a compressive stress. If the solid-state actuator 16 of the propulsion module 5 is activated, then it can expand against the spring force prevailing between the support plates 14, 15 along the pipe longitudinal axis R, whereby the distance between the two support plates 14, 15 and the distance between the two joint modules 3, 4 is increased. Will, however, the
  • Solid state actuator 16 of the propulsion module 5 is deactivated, so shortened
  • Solid state actuator 16 due to the between the support plates 14, 15 prevailing, restoring spring force by means of the springs 17, 18th
  • control unit 19 is used, which is designed, for example, in the form of a microprocessor and in the region between the support plates 14, 15, preferably along the
  • the control unit 19 serves for a coordinated activation of the solid state actuators 8, 9 and 16 and is connected to these, which are preferably designed as piezoelectric or magnetostrictive actuators. If, for example, both solid-state actuators 8, 9 of the joining modules 3, 4 are activated, then the clamping jaws 6, 7 or 6 ' , 7 ' move toward one another and are spaced from the inner wall of the tubular support structure 2 tubular support structure 2 freely movable.
  • the device forms an additional force path 20, which can be seen in the perspective sectional view of FIG.
  • the running through the device 1 additional power path 20 is capable of on the
  • Redirecting supporting structure 2 load acting, so that the support structure 2 is relieved, at least in the area between the joining modules 3, 4.
  • the point of weakness or damage is significantly relieved by the frictional connection of the device 1 with the support structure 2, as a result of which Support structure 2 stabilized and the resilience and life of the support structure 2 can be improved. It is precisely such weak points or damaged areas that are to be detected independently with the aid of the device 1, to be localized and to relieve the supporting structure locally by subsequent independent positioning of the device 1 at the location of the weak or damaged spot.
  • the device 1 For purposes of detection and localization of a weak point or damage point located within the support structure 2, the device 1 provides a unit 21 for generating mechanical vibrations, which is mounted in the area between the support plates 14, 15 and the FestConsequentlyaktor consisting of piezoelekethariwitzm or magnetostrictive material 16 in high-frequency oscillations.
  • the vibration excitation takes place in a state in which the device 1 via at least one joining module 3, 4 in a fixed
  • Vibrations on the respective jaws 6, 7 and 6 ' , 7 ' of the joint modules 3, 4 are transmitted to the support structure 2.
  • For the vibration detection is a unit 22 in the area between the
  • Support plates 14, 15 is provided, which is connected to at least one of the solid state actuators 8, 9, 16, by the support structure side mechanical
  • Vibrations is deformed and generates electrical vibration signals.
  • the electrical vibration signals provided by the mechanical vibration detection unit 20 become a microprocessor-based one
  • Evaluation unit 23 is supplied, which is also provided in the region between the support plates 14 and 15 of the device and the basis of the
  • Oscillation signals and at least one evaluation algorithm generates control signals for activating the solid state actuators 8, 9, 16, which are supplied to the control unit 19.
  • the solid state actuators 8, 9 and 16 are driven on the basis of the so-called inchworm principle.
  • the joint module 3 is in a firm adhesion to the support structure 2, whereas the joining module 4 with
  • the propulsion module 5 is activated, whereby the joining module 4 in the tube direction
  • the solid-state actuator 9 of the joint module 4 is activated, whereby it enters into a fixed form-fitting adhesion with the support structure 2.
  • Festoresisaktor 8 of the joining module 3 is deactivated, causing the jaws 6, 7 detach from the inner wall of the tubular support structure 2. Furthermore, the solid state actuator 16 of the propulsion module 5 is deactivated, whereby the joining module 3 is spring-loaded in the pipe direction. Now, a re-activation of the solid-state actuator 8 of the joining module 3, whereby this enters into a solid adhesion with the support structure 2. The joining module 4 is now deactivated whereby it can be freely moved forward to the tube axis. The above movement is continued repeatedly until a detected weak or damaged point is reached. Is the
  • the device formed in accordance with the solution is able to position itself in a positionally exact manner to those regions of the support structure 2 at which a weak or
  • the hollow cylindrical sections 12, 13 themselves consist of a multifunctional transducer material, so that their dimensional stability is variably adjustable, whereby the load, taking over the Festoresaktor 16 sheathing structure 12, 13 of the propulsion module 5 by an adjustable Verstellsteifmaschine both in relation on bending as well as with respect to torsion, the height of the load to be derived from the supporting structure 2 can be adjusted variably or adaptively.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung (1), die zur Eigenfortbewegung längs einer Tragstruktur befähigt ist, mit wenigstens zwei Fügemodulen (3,4), die jeweils zur Ausbildung einer lösbar festen Formschlussverbindung mit der Tragstruktur aktorisch betätigbar sind, sowie wenigstens einem aktorisch in seiner Länge veränderlichen Vortriebsmodul, längs dem voneinander beabstandet die wenigstens zwei Fügemodule angebracht sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Fügemodul mit einer Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen (22) in Wirkverbindung steht, die über das wenigstens eine Fügemodul Schwingungen der Tragstruktur zu detektieren und in elektrische Schwingungssignale umzuwandeln vermag, und dass eine Auswerte- und Steuereinheit (23) vorgesehen ist, an die die Schwingungssignale übertragbar sind und die unter Zugrundelegung der Schwingungssignale Steuersignale generiert, die der aktorischen Betätigung der wenigstens zwei Fügemodule (3, 4) sowie des Vortriebsmoduls (5) dienen.

Description

Vorrichtung, die zur Eigenfortbewegung längs einer Tragstruktur befähigt ist,
deren Verwendung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die zur Eigenfortbewegung längs einer Tragstruktur befähigt ist, mit wenigstens zwei Fügemodulen, die jeweils zur Ausbildung einer lösbar festen Formschlussverbindung mit der Tragstruktur aktorisch betätigbar sind, sowie wenigstens einem aktorisch in seiner Länge veränderlichen Vortriebsmodul, längs dem voneinander beabstandet die wenigstens zwei
Fügemodule angebracht sind.
Stand der Technik
Moderne mechanische Strukturen, wie beispielsweise Tragwerke oder ähnlich abstützende Funktionen übernehmende Einheiten, müssen zumeist wenigstens zwei konkurrierenden Auslegungskriterien Rechnung tragen, nämlich zum einen möglichst leichtgewichtig ausgebildet zu sein und zum anderen über eine möglichst hohe Beanspruchbarkeit hinsichtlich dynamischer und stationärer Lasteinwirkungen verfügen. Diesen Anforderungen können konventionelle, d.h. rein passiv ausgelegte Strukturen, durch geeignete Materialwahl sowie durch entsprechendes
Strukturdesign lediglich nur zum Teil entsprochen werden. So sind der Materialwahl werkstofftechnische und dem konstruktiv festlegbaren Strukturdesign statische und dynamische Beanspruchbarkeitsgrenzen gesetzt, deren Überschreitung zu
irreversiblen Strukturschäden führen kann, wodurch die Gesamtlebensdauer der mechanischen Struktur erheblich beeinträchtigt wird. Vor diesem Hintergrund werden mechanische Strukturen nach konventionellen ingenieurstechnischen Ansätzen mit Sicherheitsfaktoren ausgelegt und überdimensioniert. Die Verwendung von
Sicherheitsfaktoren dient oft der Beherrschung von Unsicherheiten, die aus einer letztlich immer gegebenen Unkenntnis realer, im Bauteileinsatz auftretenden zu erwartenden Bauteillasten und damit Bauteilbeanspruchungen resultieren. Es gibt daneben Quellen für Unsicherheiten, die ingenieurmäßig bedingt durch
Sicherheitsfaktoren kompensiert werden können. Die hieraus resultierende
Überdimensionierung bedeutet heute, dass mechanische Strukturen nicht im
Grenzbetrieb eingesetzt werden und führen damit zu einem unvermeidbaren
Massezuwachs. Dies läuft den Bestrebungen des zunehmenden Produktleichtbaus klar zuwider. Ein sehr typisches Anwendungsbeispiel im allgemeinen Maschinenbau sind mechanische Tragwerkstrukturen, wie z.B. Brücken oder aus Verstrebungen bestehende Tragstrukturen.
Eine Möglichkeit den vorstehend erläuterten, konkurrierenden Auslegungskriterien hinsichtlich eines reduzierten Eigengewichtes und einer möglichst hohen
mechanischen Beanspruchbarkeit an moderne Tragwerkstrukturen gerecht zu werden, stellt ein aktives den Zustand von Strukturen überwachendes Verfahren dar, das unter dem Stichwort„Structual Health Monitoring (SHM)" bereits Eingang in den modernen Maschinenbau sowie auch in die Konstruktion beliebig ausgebildeter Tragwerkstrukturen gefunden hat. Die SHM-Methode basiert auf einer aktiven
Überwachung einer äußeren mechanischen Belastungen ausgesetzten mechanischen Struktur sowie einer Bewertung der aktuellen Strukturbeanspruchung, die bei Überschreiten vorgegebener Lastgrenzen eine die Belastbarkeit der mechanisch belasteten Struktur beeinflussende Maßnahmen nach sich zieht.
Derartige, mechanische Strukturen überwachende und beeinflussende Systeme sind aus dem Bereich der Adaptronik bekannt und werden in Form von sensorisch und aktorisch wirkenden Komponenten direkt in den Kraftfluss der zu überwachenden und zu beeinflussenden mechanischen Strukturen integriert und vermögen die elastomechanischen Eigenschaften der mechanischen Tragstruktur zu beeinflussen. Je nach Wahl von die Funktionsweise dieser adaptronischen Systeme
bestimmenden Zielfunktionen kann die Beanspruchbarkeit in Bezug auf dynamische und stationäre Lasteinwirkungen auf eine mechanische Struktur sowie deren
Lebensdauer signifikant erhöht werden.
Aus der DE 40 08 568 C2 ist hierzu eine Schwingungssteuervorrichtung zum
Verhindern der Fortpflanzung von Schwingungen längs eines gestreckten Gliedes, bspw. längs eines Tragrohres bekannt, das über Sensormittel den aktuellen
Schwingungszustandes des Tragrohres zu detektieren vermag. In einem axialen Abstand sind unmittelbar am Tragrohr Flansche befestigt, die mit koaxial zum
Tragrohr orientierten, piezoelektrisches Material enthaltende Stabelementen verbunden sind, deren Länge durch elektrische Aktivierung veränderbar ist. Je nach sensorisch ermitteltem Schwingungszustand des Tragrohres vermögen die
längenveränderlichen Elemente, bei entsprechend aufeinander abgestimmter
Aktivierung Schwingungen zu generieren, die den Tragrohr eigenen Schwingungen dämpfend entgegen wirken. Mit Hilfe des bekannten adaptronischen Systems werden sowohl Längs- als auch torsionale Schwingungen innerhalb des Tragrohrs aktiv gedämpft, so dass das Tragrohr einer geringeren Beanspruchung unterliegt und somit weniger massiv ausgebildet werden kann.
Eine weitere Vorrichtung zur Beeinflussung der mechanischen Beanspruchbarkeit eines technischen Elementes geht aus der WO 2006/122821 A1 hervor, bei der wenigstens ein Sensor sowie ein Aktor in dem technischen Element integriert sind, die unter Zugrundelegung wenigstens einer die Elementlebensdauer erhöhende Zielfunktion je nach detektiertem Beanspruchungszustandes des Elementes fallweise eine Be- oder Entlastung innerhalb des technischen Elements herbeiführen, d. h. das technische Element lokal versteifen oder die Elementelastizität lokal erhöhen.
Aus DE 20 2010 005 845 U1 ist mechatronisches wurmartiges Bewegungssystem für rohrartige Elemente bekannt, das per Kabel oder per Funk gesteuert werden kann.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine an einer Tragstruktur anzubringende oder anzuwendende Maßnahme anzugeben, mit der es möglich ist, eine auf die Tragstruktur gerichtete, stabilisierende Einflussnahme vorzunehmen, die der
Prävention vor Schädigungen an der Tragstruktur dient oder bei bereits
eingetretenen Initialschädigungen vor einem weiteren Anwachsen des
Schadenumfanges schützt. Die hierfür in Frage kommenden Mäßnahmen sollen möglichst Ressourcen schonend und ohne nennenswerte Einflüsse auf das
Eigengewicht der Tragstruktur sein. Wünschenswert überdies ist die Möglichkeit bereits bestehende und im Einsatz befindliche Tragstrukturen mit der
lösungsgemäßen Maßnahme nachzurüsten ohne dabei Veränderungen an der konstruktiven Auslegung der jeweiligen Tragstruktur vornehmen zu müssen. Das der lösungsgemäßen Maßnahme übergeordnete Prinzip des„Structure Health
Monitoring" soll sich dabei auf den gesamten Umfang der Tragstruktur anwenden lassen und sich nicht lediglich auf ausgewählte Teilbereiche der Tragstruktur beschränken.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise ausgestaltende
Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Das lösungsgemäße Konzept bedient sich den Mitteln der Adaptronik, d. h. der sensorischen Erfassung und Überwachung der Tragstruktur sowie der aktorischen Einflussnahme auf die Tragstruktur, jeweils in Abhängigkeit einer qualitativen Bewertung des sensorisch erfassten Schwingungs-Ist-Zustandes, wendet sich jedoch von dem bekannten Konzept einer multilokalen Integration einer Vielzahl einzelner Sensor-Aktor-Komponenten innerhalb der mechanischen Tragstruktur, wie es aus der vorstehend Druckschrift WO 2006/122821 A1 hervorgeht, ab und schlägt eine sich längs zur Tragstruktur eigenfortbewegungsfähige Vorrichtung vor, die es vermag die Tragstruktur im Hinblick auf mechanische Schadstellen zu untersuchen und bei Feststellung derartiger Schadstellen entsprechend zu lokalisieren. Im Falle einer lokalisierten Schadstelle, bei der bereits eine Strukturschädigung eingetreten ist oder an der zumindest ein erhöhtes Schadenspotential festgestellt worden ist, vermag sich die Vorrichtung autonom an den Ort der Schädigung zu bewegen und derart zu positionieren, um vor Ort durch mechanische Ineingriffnahme mit der Tragstruktur diese zu stabilisieren.
Das lösungsgemäße Konzept für eine aktive Überwachung und einer ortsselektiven mechanischen Stabilisierung einer Tragstruktur vermeidet den Einsatz einer Vielzahl fest in einer Tragstruktur integrierter adaptronischer Sensor-Aktor-Systeme und den damit einhergehenden Massezuwachs innerhalb der Tragstruktur und nutzt einen zu Zwecken der Eigenfortbewegung befähigten Antriebsmechanismus der, wie die folgenden Ausführungen zeigen werden, zugleich auch zu Zwecken der
Tragstrukturstabilisierung, im Sinne sowohl einer mechanischen Verstärkung als auch alternativ oder in Kombination einer Schwingungsreduzierenden Bedämpfung der Tragstruktur dient.
Die lösungsgemäße Vorrichtung, die zur Eigenfortbewegung längs einer Tragstruktur befähigt ist, weist wenigstens zwei Fügemodule auf, die jeweils zur Ausbildung einer lösbar festen Formschlussverbindung mit der Tragstruktur aktorisch betätigbar sind. Ferner ist wenigstens ein aktorisch in seiner Länge veränderliches Vortriebsmodul vorgesehen, längs dem voneinander beabstandet die wenigstens zwei Fügemodule angebracht sind. Wenigstens ein der beiden Fügemodule steht mit einer Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen in Wirkverbindung, die über das wenigstens eine Fügemodul Schwingungen der Tragstruktur zu detektieren und in elektrische Schwingungssignale umzuwandeln vermag. Die elektrischen Schwingungssignale sind an eine Auswerte- und Steuereinheit übertragbar, die unter Zugrundelegung zumindest der Schwingungssignale Steuersignale generiert, die zur aktorischen Betätigung der wenigstens zwei Fügemodule sowie des Vortriebsmoduls dienen.
Der Begriff„mechanische Schwingungen" soll jegliche mechanische
Schwingungsformen umfassen, die innerhalb der Tragstruktur auftreten können, wie bspw. Biegeschwingungen, Körperschall, Oberflächenwellen bzw. -Schwingungen, Dickenschwingungen, Lamb-Wellen, Längs- und Drehschwingungen etc..
Beide über das Vortriebsmodul verbundene Fügemodule verfügen jeweils über wenigstens zwei Klemmbacken, über die das jeweilige Fügemodul unter Ausbildung eines kraftbeaufschlagten Formschlusses mit der Tragstruktur eine lösbar feste Kraftschlussverbindung einzugehen vermag. Das Öffnen und Schließen der
Klemmbacken beider Fügemodule erfolgt vorzugsweise jeweils durch Betätigung eines mit den Klemmbacken in Wirkverbindung stehenden Festkörperaktors. Der vorzugsweise piezoelektrisches oder magnetostriktives Material aufweisende
Festkörperaktor unterliegt im Wege einer elektrischen Aktivierung einer
Formänderung, die unmittelbar oder entsprechend wegübersetzt zur Auslenkung der jeweiligen Klemmbacken dient. Gleichsam den Fügemodulen verfügt auch das Vortriebsmodul über wenigstens einen Festkörperaktor, dessen durch elektrische Aktivierung initiierte Formänderung zur Längenänderung des Vortriebsmoduls dient und damit zur Abstandsänderung beider längs des Vortriebsmoduls angebrachter Fügemodule genutzt wird. Durch geeignet aufeinander abgestimmte Aktivierungen der den Fügemodulen sowie dem Vortriebsmodul zugeordneten Festkörperaktoren lässt sich bspw. eine bidirektionale Bewegung der Vorrichtung längs einer stab- oder rohrförmig ausgebildeten Tragstruktur realisieren, die auf dem Bewegungsprinzip eines Inchworm-Motors beruht, auf dessen Funktionsweise in Verbindung mit dem illustrierten Ausführungsbeispiel näher eingegangen wird.
Zu Zwecken der Detektion von Tragstruktur eigenen Schwingungen ist es
erforderlich, dass wenigstens ein Fügemodul eine mit der Tragstruktur feste formschlüssige Kraftschlussverbindung eingeht, die für eine mechanisch starre Verbindung sorgt, durch die sicher gestellt ist, dass tragstruktureigene
Schwingungen möglichst verlustfrei über das Fügemodul auf die mit dem wenigstens einen Fügemodul in Wirkverbindung stehende Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen übertragen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen wird das Energiewandlerprinzip von Wandlermaterialien,
vorzugsweise von piezoelektrischen oder magnetostriktiven Materialien genutzt, deren durch mechanische Schwingungen hervorgerufene Deformationen unmittelbar in elektrische und somit technisch auswertbare Schwingungssignale umgewandelt werden. So verfügt die Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen über eine piezoelektrische oder magnetostriktive Komponente, die in einem schwingungsfesten Verbund mit dem wenigstens einen Fügemodul steht, so dass die über das
Fügemodul aufgenommenen tragstrukturseitigen Schwingungen in technisch auswertbare Schwingungssignale umgewandelt werden können. Die piezoelektrische oder magnetostriktive Komponente ist in einer Ausführungsform als zum Fügemodul separate Bauform ausgebildet, deren elektrische Schwingungssignale
drahtgebunden oder drahtlos an eine Auswerte- und Steuereinheit übertragen werden, die mittel- oder unmittelbar mit den zwei Fügemodulen sowie dem
Vortriebsmodul in mechanische Wirkverbindung steht. Die Auswerte- und
Steuereinheit vermag die elektrischen Schwingungssignale unter Zugrundelegung eines die Unversehrtheit der Tragstruktur bewertenden Auswertealgorithmus dahingehend zu analysieren, so dass anhand der tragstrukturseitig erfassten
Schwingungen festgestellt werden kann, ob die Tragstruktur Schäden im Sinne von mechanischen Schwachstellen oder von bereits eingetretenen Schäden in Form von Rissen oder Brüchen besitzt. Derartige Schwachstellen beeinflussen die
mechanischen Schwingungseigenschaften der Tragstruktur, die sich insbesondere im Falle von Rissen oder Brüchen signifikant im Schwingungsbild abzeichnen.
Eine eindeutige Schadensdetektion innerhalb einer Tragstruktur auf der Grundlage der Erfassung tragstruktureigener Schwingungen lässt sich in vorteilhafter Weise durch eine gezielt kontrollierte Schwingungsanregung der Tragstruktur verbessern. Hierzu gilt es die Tragstruktur mit wenigstens einer Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in Wirkverbindung zu bringen.
In einer möglichen Realisierungsform ist es ausreichend, die schwingungserregende Einheit an wenigstens einer, vorzugsweise einer leicht zugänglichen Stelle an die Tragstruktur anzukoppeln. Diese gezielt in die Tragstruktur eingebrachten
mechanischen Schwingungen können mit Hilfe der an der
eigenfortbewegungsfähigen Vorrichtung vorgesehenen Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen, wie vorstehend erläutert, detektiert und entsprechend ausgewertet werden.
Liefert die Signalauswertung einen Hinweis auf eine innerhalb der Tragstruktur vorhandene Schwachstelle bzw. einen bereits eingetretenen Schaden, so wird die Schwachstelle im Wege der weiteren Signalauswertung innerhalb der Tragstruktur lokalisiert, so dass auf der Grundlage des Auswerteergebnisses die Steuereinheit Steuersignale zur aktorischen Betätigung der wenigstens zwei Fügemodule sowie des Vortriebsmoduls zur Fortbewegung der Vorrichtung längs der Tragstruktur generiert. Während sich die lösungsgemäße Vorrichtung längs der Tragstruktur fortbewegt, befindet sich wenigstens ein Fügemodul stets in formschlüssiger
Kraftschlussverbindung zur Tragstruktur, um einerseits für einen sicheren Halt der Vorrichtung an der Tragstruktur zu sorgen, andererseits ein sich im Wege der Relativbewegung der Vorrichtung längs der Tragstruktur veränderndes,
detektierbares Schwingungssignal zu Zwecken der Lokalisierung der Schwach- bzw. Schadensstelle zu nutzen. Befindet sich die lösungsgemäße Vorrichtung am Ort der Schwach- bzw. Schadensstelle, so werden die wenigstens zwei Fügemodule derart aktiviert, so dass sie mit der Tragstruktur jeweils eine feste formschlüssige
Kraftschlussverbindung eingehen, um auf dieser Weise am Ort der Schwachstelle einen zusätzlichen, die Tragstruktur entlastenden, durch die Vorrichtung
verlaufenden Kraftpfad auszubilden. Hierbei befinden sich die Fügemodule sowie das Vortriebsmodul in einem mechanisch starren Körperverbund, durch den ein die Schwachstelle der Tragstruktur entlastender, parallel zur Tragstruktur verlaufender Kraftpfad verläuft. In einer bevorzugten Ausführungsform der lösungsgemäßen Vorrichtung ist neben der Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen auch die Einheit zur
Erzeugung mechanischer Schwingungen integraler Bestandteil der Vorrichtung, so dass die Schwingungserzeugung am Ort der Vorrichtung selbst vorgenommen werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die durch die Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in die Tragstruktur eingekoppelten Schwingungen innerhalb der Tragstruktur zum Teil reflektiert und mittels der Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen zeitaufgelöst empfangen und ausgewertet werden können. Auf diese Weise können Laufzeitenmessungen vorgenommen werden, die eine Lokalisierung etwaiger Schwach- bzw. Schadensstellen innerhalb der
Tragstruktur erleichtern und verbessern.
In einer weiteren Ausführungsform, die sich insbesondere durch ihre kompakte Bauform sowie durch eine hohe Systemintegrität auszeichnet, wird wenigstens ein Festkörperaktor, der zur aktorischen Betätigung des wenigstens einen Fügemoduls oder des Vortriebsmoduls dient, zumindest als sensorische Komponente für die Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen mitbenutzt. Befindet sich ein Fügemodul in festem formschlüssigen Kraftschluss mit der Tragstruktur, so wird der diesem Fügemodul zuordenbare Festkörperaktor automatisch von den
tragstruktureigenen Schwingungen beaufschlagt, die innerhalb des Festkörperaktors elektrisch nachweisbare Schwingungssignale erzeugen, die im Weiteren, wie vorstehend beschrieben, der Auswerte- und Steuereinheit zuführbar sind. Darüber hinaus lässt sich der Festkörperaktor des betreffenden Fügemoduls zu Zwecken der Erzeugung mechanischer Schwingungen nutzen, indem der Festkörperaktor im Zustand des festen formschlüssigen Kraftschlusses des betreffenden Fügemoduls einer hochfrequenten elektrischen Erregerspannung ausgesetzt wird, wodurch der Festkörperaktor gleichsam hochfrequente Schwingungen in die Tragstruktur einzuleiten vermag, ohne dabei den Kraftschluss des Fügemoduls mit der
Tragstruktur zu beeinträchtigen oder gar zu lösen. Selbstverständlich ist es möglich, die vorzugsweise aus piezoelektrischem Material bestehenden Festkörperaktoren der Fügemodule und/oder auch des Vortriebsmoduls in alternativer oder kombinierter Betriebsweise zu Zwecken der Erzeugung sowie auch der Detektion mechanischer Schwingungen zu nutzen.
Die Auswerte- und Steuereinheit ist gleichsam im Hinblick auf eine möglichst kompakte und systemintegrative Realisierungsform der Vorrichtung als integraler Bestandteil der Vorrichtung ausgebildet und vorzugsweise in Form einer
chipbasierten Rechnereinheit ausgestaltet, in der zu deren Funktionsweise entsprechende Peripheriekomponenten, wie bspw. Daten- und Energiespeicher enthalten sind.
Die Realisierung der lösungsgemäßen Vorrichtung ist jedoch auch denkbar mit einer separat zur Vorrichtung ausgebildeten Auswerteeinheit, die mittels drahtloser Kommunikation mit einer an der Vorrichtung vorgesehenen Kommunikationseinheit, vorzugsweise in Form einer Funkverbindung, in Datenaustausch steht. So werden die mit Hilfe der Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen erfassten elektrischen Schwingungssignale an die externe Auswerteeinheit übertragen, in der rechnerbasiert die Schwingungssignale zu Zwecken einer Tragstrukturüberwachung und Schwachstellen- sowie Schadenserkennung ausgewertet werden. Im Falle detektierter Schwach- oder Schadensstellen erfolgt zugleich eine rechnerbasierte Lokalisierung der Schwachstelle innerhalb der Tragstruktur relativ zum Ort der Vorrichtung an der Tragstruktur, so dass von Seiten der externen Auswerteeinheit Steuersignale an die Vorrichtung übertragen werden, die mit Hilfe einer
vorrichtungsgebundenen Steuereinheit zur Aktivierung der an den beiden
Fügemodulen sowie dem Vortriebsmodul befindlichen Festkörperaktoren dienen.
Die Auswertung der detektierten mechanischen Schwingungen erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform im Rahmen eines Vergleiches mit bevorrateten Referenz- Schwingungsmustern, die anhand einer Referenztragstruktur
aufgenommen worden sind und eindeutigen der Referenztragstruktur zuordenbaren Schwach- oder Schadenszenarien entsprechen. Wird vermittels der Vorrichtung innerhalb der Tragstruktur mehr als eine Schwachstelle detektiert, so gilt es anhand der detektierten Schwingungssignale sowohl die Schwere bzw. die Relevanz der jeweiligen Schwach- bzw. Schadensstelle hinsichtlich der Tragfunktion der Tragstruktur für jede einzelne, detektierte
Schadensstelle zu bewerten und letztlich jene Schadensstelle zu selektieren, die eine größte Beeinträchtigung auf die Tragfunktion der Tragstruktur besitzt. Eben diese gilt es mit Hilfe der elgenfortbewegungsfähigen Vorrichtung auf direktem Weg anzusteuern und mit Hilfe des vorstehend erläuterten Klemmprinzipes am Ort der Schadensstelle mechanisch zu stabilisieren. Selbstverständlich ist es möglich innerhalb einer einzigen Tragstruktur mehrere lösungsgemäße Vorrichtung bedarfsweise zu platzieren.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eigenfortbewegungsfähige Vorrichtung längs einer als Rohr
ausgebildeten Tragstruktur sowie
Fig. 2 perspektivische Schnittbilddarstellung der in Figur 1a illustrierten
Vorrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 ist eine lösungsgemäß ausgebildete Vorrichtung 1 illustriert, die innerhalb einer rohrförmig ausgebildeten Tragstruktur 2 zu Zwecken einer bidirektional orientierten, autonomen Eigenfortbewegung befähigt ist. Die Vorrichtung 1 verfügt über zwei aktorisch betätigbare Fügemodule 3, 4 die jeweils stirnseitig an einem ebenfalls aktorisch betätigbaren sog. Vortriebsmodul 5 gefügt sind. Beide stirnseitig am Vortriebsmodul 5 angebrachte Fügemodule 3, 4 sind jeweils identisch
ausgebildet und verfügen jeweils über zwei orthogonal zur Rohrachse R der rohrförmig ausgebildeten Tragstruktur 2 bidirektional auslenkbare Klemmbacken 6, 7 bzw. 6', 7'. Zur weiteren Erläuterung der lösungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung sei zugleich auch auf die perspektivische Teilschnittdarstellung in Figur 2
verwiesen. Jede einzelne Klemmbacke 6, 7, 6', 7' verfügt über eine an die
Innenkontur der rohrförmigen Tragstruktur 2 angepasste Backenkontur 61 , 71 , 61 ', 71 ', die im dargestellten Falle die Form eines Kreissegmentes besitzt. Beide
Klemmbacken 6, 7 bzw. 6', 7' verfügen über quer zur Rohrlängsachse R gegenseitig überlappende, L-förmig ausgebildete Abstützstrukturen 62, 72 bzw. 62', 72'.
Zwischen beiden L-förmigen Abstützstrukturen 62, 72 bzw. 62', 72' ist ein
Festkörperaktor 8, 9 eingebracht, mit einer Längserstreckung, die quer zur
Rohrlängsachse R orientiert ist. Die Längserstreckung des Festkörperaktors 8, 9 entspricht zugleich auch der Aktorwirkrichtung, d. h. jener Richtung, die bei
Betätigung des Festkörperaktors der technisch nutzbaren Längenänderung entspricht. Im Falle einer Aktivierung des Festkörperaktors 8, 9 dehnt sich dieser längs seiner Längserstreckung aus und vermag beide Klemmbacken 6, 7 durch die jeweils stirnseitige Kontaktierung an ihren L-förmig ausgebildeten Abstützstrukturen 62, 72 bzw. 62', 72' aufeinander zuzubewegen, d. h. die Backen konturen 61 , 71 bzw. 61 ', 71 ' nehmen eine radial beabstandeten Zustand zur Innenwand der rohrförmig ausgebildeten Tragstruktur 2 ein. Wird hingegen der Festkörperaktor 8, 9 deaktiviert, so verkürzt sich dieser, wobei zusätzlich zwischen entsprechenden Abstützflanken beider Klemmbacken 6, 7 bzw. 6', 7' vorgesehene Federelemente 10, 11 bzw. 10', 11 ' beide Klemmbacken federkraftbeaufschlagt in Richtung der Innenwand der rohrförmig ausgebildeten Tragstruktur 2 zu pressen vermögen. In diesem Zustand befindet sich das entsprechende Fügemodul in einem fest formschlüssigen Kraftschluss mit der Innenwand der rohrförmigen Tragstruktur 2.
Aufgrund des jeweils identischen Aufbaus beider Fügemodule 3, 4 ist ihre
Funktionsweise und die damit verbundene Überführung zwischen einem von der Innenwand der Tragstruktur 2 gelösten Zustand und einem mit der Innenwand der Tragstruktur 2 fest verbundenen Zustand identisch. Das Vortriebsmodul 5, dessen Aufbau in Figur 2 ersichtlich ist, verfügt über zwei ineinander gleitend gelagerte Hohlzylinderabschnitte 12, 13 die jeweils einseitig stirnseitig mit einer Abstützplatte 14, 15 verbunden sind. Innerhalb des innen liegenden, hohlzylinderförmigen Abschnittes 13 ist ein dem Vortriebsmodul 5 zuordenbarer Festkörperaktor 16 eingebracht, dessen Stirnseiten jeweils
formschlüssig an den Abstützplatten 14, 15 anliegen. Der Festkörperaktor 16 ist vermittels Federn 17, 18, die jeweils zwischen den Abstützplatten 14, 15 angebracht sind, in dessen Längsrichtung, die zugleich der Rohrlängsachse R entspricht, unter Ausübung einer Druckspannung vorgespannt. Wird der Festkörperaktor 16 des Vortriebmoduls 5 aktiviert, so vermag sich dieser entgegen der zwischen den Abstützplatten 14, 15 vorherrschenden Federkraft längs der Rohrlängsachse R ausdehnen, wodurch der Abstand beider Abstützplatten 14, 15 und damit verbunden der Abstand beider Fügemodule 3, 4 vergrößert wird. Wird hingegen der
Festkörperaktor 16 des Vortriebsmoduls 5 deaktiviert, so verkürzt sich der
Festkörperaktor 16 aufgrund der zwischen den Abstützplatten 14, 15 herrschenden, rückstellenden Federkraft vermittels der Federn 17, 18.
Selbstverständlich können anstelle der dargestellten Federelemente 10, 11 , 17, 18 gleich wirkende Elastomerelemente eingesetzt werden.
Zur Eigenfortbewegung der in den Figuren 1 und 2 illustrierten Vorrichtung dient eine Steuereinheit 19, die bspw. in Form eines Mikroprozessors ausgebildet und im Bereich zwischen den Abstützplatten 14, 15, vorzugsweise längs des
hohlzylinderförmigen Abschnittes 12 angebracht ist. Die Steuereinheit 19 dient für eine koordinierte Aktivierung der Festkörperaktoren 8, 9 sowie 16 und ist mit diesen verbunden, die vorzugsweise als piezoelektrische oder magnetostriktive Aktoren ausgebildet sind. Werden bspw. beide Festkörperaktoren 8, 9 der Fügemodule 3, 4 aktiviert, so bewegen sich die Klemmbacken 6, 7 bzw. 6', 7' aufeinander zu und beabstanden sich von der Innenwand der rohrförmig ausgebildeten Tragstruktur 2. Die Vorrichtung ist somit längs der rohrförmigen Tragstruktur 2 frei beweglich.
Bleiben hingegen die Festkörperaktoren 8, 9 beider Fügemodule 3, 4 inaktiviert, so vermögen die jeweiligen Federelement 10, 11 bzw. 10', 11 ' die Klemmbacken beider Fügemodule 3, 4 fest an die Innenwand der rohrförmigen Tragstruktur 2 zu pressen, In diesem Zustand bildet die Vorrichtung einen zusätzlichen Kraftpfad 20 aus, der in der perspektivischen Schnittbilddarstellung gemäß Figur 2 ersichtlich ist. Der durch die Vorrichtung 1 verlaufende zusätzliche Kraftpfad 20 vermag eine auf die
Tragstruktur 2 einwirkende Last umzuleiten, so dass die Tragstruktur 2 zumindest im Bereich zwischen den Fügemodulen 3, 4 entlastet wird.
Befindet sich bspw. eine Schwach- bzw. Schadensstelle innerhalb der Tragstruktur 2 zwischen beiden fest mit der Tragstruktur 2 gefügten Fügemodulen 3, 4, so wird die Schwach- bzw. Schadensstelle durch den Kraftschluss der Vorrichtung 1 mit der Tragstruktur 2 signifikant entlastet, wodurch die Tragstruktur 2 stabilisiert und die Belastbarkeit und Lebensdauer der Tragstruktur 2 verbessert werden. Eben derartige Schwach- bzw. Schadstellen gilt es mit Hilfe der Vorrichtung 1 selbständig zu detektieren, zu lokalisieren und durch anschließende selbstständige Positionierung der Vorrichtung 1 an den Ort der Schwach- bzw. Schadstelle die Tragstruktur lokal zu entlasten.
Zu Zwecken der Detektion und Lokalisierung einer innerhalb der Tragstruktur 2 befindlichen Schwach- bzw. Schadensstelle sieht die Vorrichtung 1 eine Einheit 21 zur Erzeugung mechanischer Schwingungen vor, die im Bereich zwischen den Abstützplatten 14, 15 angebracht ist und den aus piezoeleketrischem oder magnetostriktivem Material bestehenden Festkörperaktor 16 in hochfrequente Schwingungen versetzt. Die Schwingungsanregung erfolgt in einem Zustand, in dem die Vorrichtung 1 über wenigstens ein Fügemodul 3, 4 in einem festen
formschlüssigen Kraftschlussverbund mit der Tragstruktur 2 steht, um auf diese Weise sicher zu stellen, dass die seitens des Festkörperaktors 16 erzeugten
Schwingungen über die jeweiligen Klemmbacken 6, 7 bzw. 6', 7' der Fügemodule 3, 4 auf die Tragstruktur 2 übertragen werden. Selbstverständlich ist es möglich zu Zwecken der Schwingungsanregung alternativ oder in Kombination zur Aktivierung des Festkörperaktors 16 des Vortriebsmoduls 5 die Festkörperaktoren 8, 9 der Fügemodule 3, 4 entsprechend anzusteuern. Für die Schwingungsdetektion ist eine Einheit 22 im Bereich zwischen den
Abstützplatten 14, 15 vorgesehen, die mit wenigstens einem der Festkörperaktoren 8, 9, 16 verbunden ist, der durch die tragstrukturseitigen mechanischen
Schwingungen deformiert wird und elektrische Schwingungssignale generiert. Die seitens der Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen 20 bereitgestellten elektrischen Schwingungssignale werden einer mikroprozessorbasierten
Auswerteeinheit 23 zugeführt, die ebenfalls im Bereich zwischen den Abstützplatten 14 und 15 der Vorrichtung vorgesehen ist und die unter Zugrundelegung der
Schwingungssignale sowie wenigstens einem Auswertealgorithmus Steuersignale zur Aktivierung der Festkörperaktoren 8, 9, 16 generiert, die der Steuereinheit 19 zugeführt werden.
Zu Zwecken der Eigenfortbewegung werden die Festkörperaktoren 8, 9 sowie 16 auf der Grundlage des sog. Inchworm-Prinzips angesteuert. Im Falle einer linearen Fortbewegung der Vorrichtung 1 längs der Tragstruktur 2 in der durch den Pfeil P in Figur 1 angegebenen Richtung befindet sich das Fügemodul 3 in einem festen Kraftschluss mit der Tragstruktur 2, wohingegen das Fügemodul 4 mit
zurückgezogenen Backen 6', 7' längs der Tragstruktur 2 frei beweglich ist. Das Vortriebsmodul 5 wird aktiviert, wodurch das Fügemodul 4 in Rohrrichtung
vorgeschoben wird. Im ausgelenkten Zustand des Vortriebsmoduls 5 wird der Festkörperaktor 9 des Fügemoduls 4 aktiviert, wodurch dieser einen festen formschlüssigen Kraftschluss mit der Tragstruktur 2 eingeht. Nun wird der
Festkörperaktor 8 des Fügemoduls 3 deaktiviert, wodurch sich die Klemmbacken 6, 7 von der Innenwand der rohrförmigen Tragstruktur 2 lösen. Desweiteren wird der Festkörperaktor 16 des Vortriebsmoduls 5 deaktiviert, wodurch das Fügemodul 3 federkraftbeaufschlagt in Rohrrichtung nachgezogen wird. Nun erfolgt eine erneute Aktivierung des Festkörperaktors 8 des Fügemoduls 3, wodurch dieses einen festen Kraftschluss mit der Tragstruktur 2 eingeht. Das Fügemodul 4 wird nun deaktiviert wodurch es frei beweglich zur Rohrachse vorgeschoben werden kann. Der vorstehende Bewegungsvorgang wird solange wiederholt fortgesetzt, bis eine detektierte Schwach- bzw. Schadensstelle erreicht ist. Befindet sich die
Schadensstelle bspw. in Form eines Risses zwischen beiden Fügemodulen 3, 4, so wird durch gleichzeitige Klemmung beider Fügemodule 3, 4 die mechanische Strukturlast über die Struktur der Vorrichtung 1 an der geschädigten
Tragstrukturstelle vorbeigeleitet.
Die lösungsgemäß ausgebildete Vorrichtung vermag sich ortsselektiv exakt an jene Bereiche der Tragstruktur 2 zu positionieren, an denen eine Schwach- bzw.
Schadensstelle detektiert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die hohlzylinderförmigen Abschnitte 12, 13 selbst aus einem multifunktionalen Wandlerwerkstoff bestehen, so dass deren Formsteifigkeit variabel einstellbar ist, wodurch die Last übernehmende, den Festkörperaktor 16 ummantelnde Struktur 12, 13 des Vortriebsmoduls 5 durch eine einstellbare Verstellsteifigkeit sowohl in Bezug auf Biegung als auch in Bezug auf Torsion die Höhe der von der Tragstruktur 2 abzuleitenden Last variabel bzw. adaptiv eingestellt werden kann.
Bezugszeichenliste eigenfortbewegungsfähige Vorrichtung rohrförmige Tragstruktur
, 4 Fügemodul
Vortriebsmodul
, 7, 6', 7' Klemmbacken
Festkörperaktor
Festkörperaktor
0, 11 , 10', 11 ' Federelemente
2, 13 hohlzylinderförmige Abschnitte4, 15 Abstützplatten
6 Festkörperaktor
7, 18 Federelement
9 Steuereinheit
0 Kraftpfad
1 Einheit zur Schwingungserzeugung2 Einheit zur Schwingungsdetektion3 Auswerteeinheit
1 , 71 , 61 ', 71 ' Backenkontur
2, 72, 62', 72' L-förmige Abstützstruktur

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ), die zur Eigenfortbewegung längs einer Tragstruktur befähigt ist, mit wenigstens zwei Fügemodulen (3, 4), die jeweils zur Ausbildung einer lösbar festen Formschlussverbindung mit der Tragstruktur (2) aktorisch betätigbar sind, sowie wenigstens einem aktorisch in seiner Länge veränderlichen Vortriebsmodul (5), längs dem voneinander beabstandet die wenigstens zwei Fügemodule (3, 4) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Fügemodul (3, 4) mit einer Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen (22) in Wirkverbindung steht, die über das wenigstens eine
Fügemodul (3, 4) Schwingungen der Tragstruktur (2) zu detektieren und in
elektrische Schwingungssignale umzuwandeln vermag, und dass eine Auswerte- und Steuereinheit (23) vorgesehen ist, an die die
Schwingungssignale übertragbar sind und die unter Zugrundelegung der
Schwingungssignale Steuersignale generiert, die der aktorischen Betätigung der wenigstens zwei Fügemodule (3, 4) sowie des Vortriebsmoduls (5) dienen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit zur Erzeugung mechanischer
Schwingungen (21 ) mit wenigstens einem Fügemodul (3, 4) in Wirkverbindung steht und über das wenigstens eine Fügemodul (3, 4) Schwingungen in die Tragstruktur (2) einzuleiten vermag.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die aktorisch betätigbaren Fügemodule (3, 4) jeweils wenigstens einen Festkörperaktor (8, 9) aufweisen, der mit wenigstens zwei längs einer ersten Linearachse bidirektional beweglich gelagerten Klemmbacken (6, 7, 6', 7') in einem längs der ersten Linearachse orientierten Kraftschluss steht,
dass das aktorisch in seiner Länge veränderliche Vortriebsmodul (5) wenigstens einen Festkörperaktor (16) aufweist, der mit zwei längs einer zur ersten Linearachse orthogonal orientierten zweiten Linearachse bidirektional beweglich gelagerten, Abstützkörpern (14, 15) in einem längs der zweiten Linearachse orientierten
Kraftschluss steht,
dass jeweils ein Abstützkörper (14, 15) mit einem Fügemodul (3, 4) verbunden ist, und
dass die Steuereinheit (23) mit den Festkörperaktoren (8, 9, 16), zu deren Betätigung verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Festkörperaktor (8, 9, 16) Teil der Einheit zur Detektion mechanischer Schwingungen (22) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Festkörperaktor (8, 9, 16) Teil der Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen (21 ) ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Festkörperaktor der
Festkörperaktor (8, 9) wenigstens eines Fügemoduls (3, 4) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Detektion mechanischer
Schwingungen (22), die Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen (21 ) sowie die Auswerte- und Steuereinheit (23) integrale Bestandteile der Vorrichtung (1 ) sind und die Vorrichtung (1 ) autark, unter Zugrundelegung der Steuersignale längs der Tragstruktur (2) eigenfortbewegungsfähig ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmbacken (6, 7, 6', 7') jeweils eine an eine Oberflächenkontur der Tragstruktur (2) zur Ausbildung einer Formschlussverbindung angepasste Backenkontur (61 , 71 , 61', 71 ') aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Klemmbacken (6, 7, 6', 7') pro Fügemodul (3, 4) mit wenigstens einem Feder- oder Elastomerelement (10, 11 , 10', 11 ') verbunden sind, das beide Klemmbacken (6, 7, 6', 7') längs zur ersten
Linearachse relativ zueinander federkraftbeaufschlagt vorspannt,
dass der wenigstens eine Festkörperaktor (8, 9) durch Betätigung eine entgegen der federkraftbeaufschlagten Vorspannung orientierte Aktorkraft generiert, die der Erzeugung oder der Kompensation einer der Formschlussverbindung zugrunde liegenden Klemmkraft dient,
dass zwischen den wenigsten zwei Abstützkörpern (14, 15) des Vortriebmoduls (5) wenigstens ein Feder- oder Elastomerelement (17, 18) vorgesehen ist, das beide Abstützkörper (14, 15) längs zur zweiten Linearachse federkraftbeaufschlagt einander zugewandt vorspannt,
dass der wenigstens eine zwischen den Abstützkörpern (14, 15) vorgesehene
Festkörperaktor (16) durch Betätigung eine entgegen der längs der zweiten
Linearachse gerichteten, federkraftbeaufschlagten Vorspannung orientierte Aktorkraft generiert, die der axialen Beabstandung beider Abstützkörper (14, 15) längs der zweiten Linearachse dient, und
dass die Steuereinheit (23) zu Zwecken einer Fortbewegung längs der Tragstruktur (2) die Festkörperaktoren (8, 9, 16) der Fügemodule (3, 4) sowie des Vortriebmoduls (5) nach Art eines Inchworm-Prinzips betätigt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Vortriebsmodul (5) quer sowie auch torsional zur zweiten Linearachse steif ausgebildet ist oder dass das Vortriebsmodul (5) über eine einstellbare Steifigkeit quer und/oder torsional zur zweiten Linearachse verfügt.
11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
zur aktiven Überwachung und autonomen Stabilisierung von Tragstrukturen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Detektion (22) Tragstruktureigene Schwingungen erfasst und in elektrische Schwingungssignale umwandelt, die in der Auswerteeinheit (23) unter Zugrundelegung eines die Stabilität der Tragstruktur (2) bewertenden Kriteriums analysiert werden, und dass im Falle einer in der
Tragstruktur (2) detektierten und lokalisierten Schwachstelle die Steuereinheit (23) die aktorisch betätigbaren Fügemodule (3, 4) sowie das Vortriebsmodul (5) zur Fortbewegung der Vorrichtung (1 ) längs der Tragstruktur (2) zum Zwecke einer Positionierung an dem Ort der Schwachstelle ansteuert, und dass die Fügemodule (3, 4) am Ort der Schwachstelle jeweils eine feste Formschlussverbindung mit der Tragstruktur (2) herstellen, so dass am Ort der Schwachstelle ein zusätzlicher, die Tragstruktur (2) entlastender, durch die Vorrichtung (1 ) verlaufender Kraftpfad (20) gebildet wird.
12. Verwendung nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktureigenen Schwingungen mit einer separat zur Vorrichtung (1 ) und mit der Tragstruktur (2) verbundenen Einheit (21 ) erzeugbar sind oder dass die Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen (21 ) integraler Teil der Vorrichtung (1 ) ist, durch die mechanische Schwingungen in die Tragstruktur (2) am Ort der Vorrichtung (1) eingekoppelt werden.
13. Verwendung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) am Ort der Schwachstelle zu Zwecken der Tilgung oder Dämpfung von Tragstrukturschwingungen eingesetzt wird, indem die Vorrichtung auf die Tragstruktur (2) gerichtete Schwingungen erzeugt.
PCT/EP2013/003167 2012-11-09 2013-10-21 Vorrichtung, die zur eigenfortbewegung längs einer tragstruktur befähigt ist, sowie deren verwendung WO2014072020A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012022069.3 2012-11-09
DE102012022069.3A DE102012022069B4 (de) 2012-11-09 2012-11-09 Vorrichtung, die zur Eigenfortbewegung längs einer Tragstruktur befähigt ist, sowie deren Verwendung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014072020A1 true WO2014072020A1 (de) 2014-05-15

Family

ID=49486438

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/003167 WO2014072020A1 (de) 2012-11-09 2013-10-21 Vorrichtung, die zur eigenfortbewegung längs einer tragstruktur befähigt ist, sowie deren verwendung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102012022069B4 (de)
WO (1) WO2014072020A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112974433A (zh) * 2021-04-21 2021-06-18 山东鹤鹏技术有限公司 改进型油气管道除垢装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113374983B (zh) * 2021-05-08 2022-08-23 上海工程技术大学 一种压电驱动的微型管道检测机器人

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2491785A1 (fr) * 1980-10-09 1982-04-16 Peyronnet Jean Appareil automatique de nettoyage de conduits
DE19708001A1 (de) * 1997-02-07 1998-08-13 Fitr Ges Fuer Innovation Im Ti Bewegbare Vorrichtung zur Zustandserkundung, Prüfung und/oder Reinigung von Rohren, Rohrleitungssystemen, Kanälen o. dgl.
DE4008568C2 (de) * 1989-03-16 2000-01-20 Active Noise & Vibration Tech Schwingungssteuervorrichtung zum Verhindern der Fortpflanzung von Schwingungen
US20070199383A1 (en) * 2005-11-28 2007-08-30 Flow Metrix, Inc. Pipeline Integrity Analysis Using an In-Flow Vehicle
DE102006045158A1 (de) * 2006-09-25 2008-04-03 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zum aktiven Beeinflussen von Schwingungen in einem Bauteil

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005043430A1 (de) 2005-05-19 2006-11-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung der mechanischen Beanspruchbarkeit und/oder Beanspruchung einer technischen Struktur
DE202010005845U1 (de) * 2010-04-19 2010-10-14 Lorenz, Martin Mechatronisches wurmartiges Bewegungssystem für rohrartige Elemente

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2491785A1 (fr) * 1980-10-09 1982-04-16 Peyronnet Jean Appareil automatique de nettoyage de conduits
DE4008568C2 (de) * 1989-03-16 2000-01-20 Active Noise & Vibration Tech Schwingungssteuervorrichtung zum Verhindern der Fortpflanzung von Schwingungen
DE19708001A1 (de) * 1997-02-07 1998-08-13 Fitr Ges Fuer Innovation Im Ti Bewegbare Vorrichtung zur Zustandserkundung, Prüfung und/oder Reinigung von Rohren, Rohrleitungssystemen, Kanälen o. dgl.
US20070199383A1 (en) * 2005-11-28 2007-08-30 Flow Metrix, Inc. Pipeline Integrity Analysis Using an In-Flow Vehicle
DE102006045158A1 (de) * 2006-09-25 2008-04-03 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zum aktiven Beeinflussen von Schwingungen in einem Bauteil

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112974433A (zh) * 2021-04-21 2021-06-18 山东鹤鹏技术有限公司 改进型油气管道除垢装置
CN112974433B (zh) * 2021-04-21 2021-07-30 山东鹤鹏技术有限公司 改进型油气管道除垢装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012022069A1 (de) 2014-05-15
DE102012022069B4 (de) 2015-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2815900B2 (de) Anhängekupplung
EP3110611B1 (de) Ultraschallbearbeitungsvorrichtung mit kraftsensor
WO2014177284A1 (de) Kraft-messvorrichtung
WO2006119874A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur vibroakustischen untersuchung eines kraftfahrzeuges
EP3116762B1 (de) Vorrichtung zur hinderniserkennung bei schienenfahrzeugen
DE102016225924A1 (de) Vorrichtung zum Prüfen von Fahrzeugen
DE10110878A1 (de) Luftfeder mit einem Höhensensor
EP2926941A1 (de) Strahlbearbeitungsvorrichtung
EP3117924B1 (de) Verfahren zum verbinden wenigstens zweier bauteile mittels einer stanznietvorrichtung und fertigungseinrichtung
EP2253430A1 (de) Elektrowerkzeugmaschine, insbesondere handgefuehrter Bohrhammer
EP1044763A2 (de) Halter zum exakten Positionieren eines Werkstückes
EP3117923B1 (de) Verfahren zum verbinden wenigstens zweier bauteile mittels einer stanznietvorrichtung und fertigungseinrichtung
DE102012022069B4 (de) Vorrichtung, die zur Eigenfortbewegung längs einer Tragstruktur befähigt ist, sowie deren Verwendung
EP1502700B1 (de) Messsystem
EP1889030A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur beeinflussung der mechanischen beanspruchbarkeit und/oder beanspruchung einer technischen struktur
EP3505270A1 (de) Setzeinheit für eine stanznietvorrichtung, stanznietvorrichtung und verfahren zum herstellen einer solchen
DE102007006061A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Schwingungsdämpfung für eine Lageranordnung
DE102015101524A1 (de) Kraftmessung und -regelung bei US-basierenden Prozessen
DE102014018055B4 (de) Hochspannungskomponente für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug
WO2016037208A1 (de) Biegepresse
DE102012024074A1 (de) Lenkgetriebeanordnung für ein Fahrzeug
EP2669623B1 (de) Vorrichtung zum Bestimmen einer Ausfahrlänge eines ausfahrbaren Maschinenteils
DE102011116197A1 (de) Verfahren zur Erkennung eines Dachträgers eines Fahrzeugs
DE2133234A1 (de) Verfahren zur bestimmung des verhaltens eines in der radaufhaengung angeordneten stossdaempfers in den massen-federsystemen eines kraftfahrzeuges und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE102016005635A1 (de) Schienensystem für Schienen-Flurförderer

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13782972

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13782972

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1