-
Die Erfindung betrifft eine mobil einsetzbare Messeinrichtung zur Bestimmung der Quersteifigkeit eines Seils gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine vorteilhafte Verwendung der Messeinrichtung gemäß dem Anspruch 8 sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Quersteifigkeit eines Seils gemäß dem Anspruch 9.
-
Seiltrommeln mit mehrlagiger Bewicklung sind in der gesamten Fördertechnik, dem Bergbau, der Schiffs- und Offshoretechnik und in der Fahrzeugtechnik ein sicherheitsrelevantes Element. Der Dimensionierung solcher Seiltrommeln bezüglich ihrer Tragfähigkeit kommt daher große Bedeutung zu. Ein wichtiger Parameter für die Belastung von Seiltrommeln ist das elastische Verhalten des auf eine Seiltrommel gewickelten Seils. Zur Beschreibung des elastischen Verhaltens werden die Parameter Längssteifigkeit und Quersteifigkeit des Seils verwendet, wobei die Steifigkeit beispielsweise durch das Elastizitätsmodul beschrieben werden kann. Die Steifigkeit stellt ein Maß für den Widerstand dar, den ein Seil einer Längen- oder Dickenänderung infolge einer auf das Seil in Längs- bzw. Querrichtung einwirkenden Kraft entgegensetzt. Für die Auslegung von Seiltrommeln ist es daher von Bedeutung, die Längssteifigkeit und die Quersteifigkeit an realen Seilen messen zu können. Dies war bis lediglich mit einem stationär zu betreibenden Versuchsaufbau am Institut für Maschinenwesen der technischen Universität Clausthal möglich. Der Versuchsaufbau ist relativ aufwendig hinsichtlich seines Konstruktion und seiner Bedienung, insbesondere wenn unterschiedliche Seile vermessen werden sollen.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einfacher zu realisierende Möglichkeiten für die Bestimmung der Quersteifigkeit eines Seils aufzuzeigen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1, 8 und 9 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
-
Die Erfindung erlaubt vorteilhaft einen mobilen Einsatz derart, dass die Bestimmung der Quersteifigkeit eines Seils „vor Ort” erfolgen kann, d. h. am Ort der Anwendung des Seils. Damit müssen nicht, wie in der Vergangenheit, Messungen unter Laborbedingungen sozusagen simuliert vorgenommen werden, sondern es kann in einer realen Anwendung, z. B. in einem Bergwerk, die Quersteifigkeit eines Seils sowohl unbelastet als auch unter realen Belastungsbedingungen ermittelt werden. Damit ist eine konstruktiv wie auch energetisch sehr aufwendige (künstliche) Beaufschlagung des Seils bzw. des Seilpakets mit einer definierten Längskraft nicht mehr erforderlich. Vielmehr erfolgt die Einstellung realer Einsatzbedingungen vor Ort durch die auf das Seil einwirkende, eigentliche Last selbst.
-
Die Möglichkeit der „vor Ort”-Messung hat den weiteren Vorteil, dass auch Seile mit wesentlich größeren Durchmessern als bisher mit wenig Aufwand vermessen werden können. Bisher war nämlich der aufwendige Transport sehr dicker Seile zum Versuchsaufbau nachteilig, insbesondere wegen des Kosten- und Zeitaufwands. Mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung können z. B. Seile mit 100 mm Durchmesser ohne weiteres vermessen werden.
-
Die Erfindung ermöglicht eine große Flexibilität bei der Bestimmung der Quersteifigkeit sehr unterschiedlicher Seile. Dies wird unterstützt durch die Verwendung eines wechselbaren Passstücks, das hinsichtlich seiner Formgebung dem zu messenden Seil angepasst ist. Vorteilhaft ist das Passstück wechselbar ausgebildet ist und mit einem Aufnahmerahmen der Messeinrichtung lösbar verbunden.
-
Mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung können einzelne Seile oder gleichzeitig mehrere Seile geprüft werden. Es könnten Seile unterschiedlichster Machart in bis zu 3 Lagen geprüft werden. Bei einer gleichzeitigen Messung mehrerer Seile können diese z. B. in Parallelanordnung oder in Pyramidenanordnung in die Aufnahmestelle zur Seilmessung eingelegt werden.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass eine Vermessung und Prüfung von Seilen auch zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Seilen oder zur Prüfung und für die Abnahme von mit Seilen betriebenen Vorrichtungen, z. B. in Bergwerken, ermöglicht wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Messeinrichtung einen Aufnahmerahmen auf. Innerhalb des Aufnahmerahmens ist die Aufnahmestelle vorgesehen. Weiterhin ist das erste Presselement, das zweite Presselement und das Passstück mit dem Aufnahmerahmen verbunden oder bildet wenigstens einen Teil des Aufnahmerahmens. Mittels des Aufnahmerahmens kann eine kompakte, gut transportable Messeinrichtung geschaffen werden, die eine ausreichende Festigkeit zur Aufnahme und Weiterleitung der Presskraft bietet und zugleich die einzelnen Elemente der Messeinrichtung integriert.
-
Gemäß der Erfindung weist die mobil einsetzbare Messeinrichtung wenigstens ein erstes und eine zweites Presselement auf. Die Presselemente sind relativ zueinander beweglich. So kann beispielsweise das erste Presselement bezüglich der Aufnahmestelle beweglich sein, während das zweite Presselement fest bezüglich der Aufnahmestelle angeordnet ist. Möglich ist auch, dass sowohl das erste als auch das zweite Presselement bezüglich der Aufnahmestelle beweglich angeordnet sind und jeweils beispielsweise über Hydraulikzylinder mit Kraft beaufschlagt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zweite Presselement unbeweglich mit dem Aufnahmerahmen verbunden oder ein Teil des Aufnahmerahmens. Das zweite Presselement bildet damit ein Gegenlager zum ersten Presselement. Hierdurch ist ein vereinfachter Konstruktiver Aufbau der Messeinrichtung möglich.
-
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung kann in verschiedenen Arten konstruktiv realisiert werden. Wie erwähnt, kann das erste und/oder das zweite Presselement in Bezug auf die Aufnahmestelle beweglich sein. Die Beweglichkeit kann beispielsweise eine Linearbeweglichkeit sein, z. B. entlang einer gedachten Achse von dem ersten zu dem zweiten Presselement. Die Beweglichkeit kann auch in Form einer Verschwenkbarkeit des ersten und/oder des zweiten Presselements realisiert sein, z. B. durch Verwendung eines um einen Lagerpunkt drehbar gelagerten Presselements. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste und/oder das zweite Presselement als in dem Aufnahmerahmen längsbeweglicher Schieber ausgebildet. Dies erlaubt eine konstruktive Realisierung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung mit geringem Aufwand.
-
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung beinhaltet ein wechselbares Passstück, das eine Anlagefläche aufweist, die zur Anlage an dem Seil dient. Die Anlagefläche weist eine seilspezifische Kontur auf, die seilspezifisch für eine präzise Messung der Quersteifigkeit bestimmt ist. Mit dem Begriff „seilspezifisch” sei eine Anpassung der Kontur an ein bestimmtes Seil im Einzelfall oder eine Anpassung an einen bestimmten Seiltyp verstanden. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung besonders universell einsetzbar. So können für verschiedene Seile oder Seiltypen jeweilige, spezifisch für das jeweilige Seil oder den jeweiligen Seiltyp angepasste Passstücke vorgehalten und in die Messeinrichtung bei Bedarf eingesetzt werden. Vorteilhaft wird das Passstück einfach zwischen dem Seil und dem ersten oder dem zweiten Presselement eingeklemmt. Eine permanente Halterung des Passstücks, z. B. durch eine Verschraubung, ist dann nicht erforderlich. Die seilspezifische Kontur der Anlagefläche ist vorteilhaft derart adaptiert, dass die gemessenen Werte unter Heranziehung einer Bestimmungsgleichung für die Quersteifigkeit ein akkurates Ergebnis bei der Bestimmung der Quersteifigkeit ergeben, wie nachfolgend noch weiter ausgeführt wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Anlagefläche konkav gewölbt. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Kontur der Anlagefläche kreisbogenförmig ist. Vorteilhaft ist der Radius der kreisbogenförmigen Kontur größer als der halbe Durchmesser eines zu vermessenden Seils.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Kontur der Anlagefläche aus der geometrischen Form der Berillung der zu verwendenden Seiltrommel zur Aufwicklung des Seils abgeleitet werden. In der Praxis sind Seiltrommeln mit unterschiedlicher Seiltrommelberillung im Einsatz, wobei die geometrische Form der Berillung z. B. je nach Hersteller der Seiltrommel variiert. Vorteilhaft wird daher die Kontur der Anlagefläche auf Grundlage der geometrischen Form der Seiltrommelberillung festgelegt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Aktuator zur Erzeugung der Presskraft vorgesehen. Der Aktuator kann ein hydraulisch oder mit Gasdruck betätigter Zylinder sein. Der Aktuator kann auch als Spindelaktuator ausgebildet sein, z. B. mit einem Elektromotor, der eine Gewindespindel oder Kugelumlaufspindel antreibt. Auch die Verwendung eines Piezoaktuators ist vorteilhaft möglich. Der Aktuator wirkt auf das erste und/oder auf das zweite Presselement ein oder bildet direkt das ersten und/oder das zweite Presselement. Möglich ist auch die Verwendung zweier Aktuatoren, wobei ein Aktuator auf das erste Presselement einwirkt oder dieses bildet und der zweite Aktuator auf das zweite Presselement einwirkt oder dieses bildet.
-
Eine vorteilhafte Verwendung der zuvor beschriebenen Messeinrichtung besteht in der Erfassung wenigstens eines Charakteristikums eines Seils am Einsatzort des Seils. Als Charakteristikum kann z. B. die Durchmesserveränderung des Seils unter Einwirkung der von der Messeinrichtung auf das Seil ausgeübten Presskraft bestimmt werden.
-
Vorteilhaft kann eine Bestimmung der Quersteifigkeit eines Seils wie folgt vorgenommen werden:
- a) Das Seil wird in die Aufnahmestelle einer Messeinrichtung der zuvor beschriebenen Art eingesetzt,
- b) ein dem zu vermessenden Seil angepasstes Passstück wird in die Messeinrichtung an der vorgesehenen Stelle eingesetzt,
- c) das Seil wird durch Kraftbeaufschlagung des Pressstücks mit einer bekannten oder durch Messung ermittelten Presskraft beaufschlagt,
- d) die Seildicke, insbesondere der Durchmesser des Seils quer zur Längsrichtung des Seils, wird vor und während der Beaufschlagung mit der Presskraft gemessen,
- e) die Quersteifigkeit wird aus der Presskraft und der Veränderung des Seildurchmessers bestimmt.
-
Sofern zur Erzeugung der Presskraft ein Aktuator mit einer extern vorgebbaren Kraftabgabe eingesetzt wird, kann die Presskraft als bekannt angenommen werden, da sie durch die Vorgabe festgelegt ist. Anderenfalls kann zur Bestimmung der Presskraft ein Sensor vorgesehen sein, der an der Messeinrichtung oder separat angeordnet sein kann. Als Sensor kann z. B. eine Kraftmessdose im Kraftfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Presselement angeordnet sein. Bei Verwendung eines hydraulischen oder Gasdruck-betriebenen Aktuators kann der Sensor z. B. als Drucksensor ausgebildet sein, der den Druck im Stellzylinder des Aktuator erfasst. Über die wirksame Fläche des Stellzylinders kann aus dem gemessenen Druck die Presskraft bestimmt werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der zuvor genannten Verfahrensschritte, oder auch der eingangs beschriebenen Messeinrichtung, wird die Quersteifigkeit als Elastizitätsmodul bestimmt. Der Elastizitätsmodul ist eine im Maschinenbau anerkannte Kenngröße eines Materials oder eines Gegenstands.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Quersteifigkeit zusätzlich unter Berücksichtigung des Ersatzquerschnitts bestimmt. Der Ersatzquerschnitt entspricht der Summe der physikalisch vorliegenden Querschnittsflächen der einzelnen Seillitzen bzw. Seilfasern. Sofern das Seil aus metallischem Material besteht, z. B. als Stahlseil ausgeführt ist, wird der so genannte metallische Ersatzquerschnitt verwendet.
-
Die Verwendung des Ersatzquerschnitts hat den Vorteil, dass die Bestimmung der Quersteifigkeit auf Grund der gemessenen Daten mit wenig Aufwand möglich wird. Insbesondere ist keine Kenntnis von weiteren Materialeigenschaften des Seils für die Berechnung der Quersteifigkeit erforderlich. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Quersteifigkeit zusätzlich unter Berücksichtigung der Einspannlänge des Seils in der Aufnahmestelle bestimmt. Die Anlagefläche des Passstücks hat eine gewisse Längserstreckung, entlang der das Seil an der Anlagefläche anliegt. Diese Länge wird als Einspannlänge bezeichnet.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Quersteifigkeit gemäß der Gleichung
bestimmt. Die Quersteifigkeit liegt dann in der Einheit N/mm
2 vor. Hierbei stellt die Größe E
SQ die Quersteifigkeit in Form des Elastizitätsmoduls dar. F
q ist die Presskraft, mit der das Seil beaufschlagt ist. d
S1 ist die Seildicke im nicht von der Presskraft beaufschlagten Zustand, d
S2 ist die Seildicke im von der Presskraft beaufschlagten Zustand des Seils. Als Seildicke wird die Ausdehnung bzw. der Durchmesser des Seils quer zur Längsrichtung des Seils verstanden, und zwar in Richtung der auf das Seil einwirkenden Presskraft. Die Größe b ist die Einspannlänge des Seils in der Aufnahmestelle. A
Ersatz ist der Ersatzquerschnitt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1 eine perspektivische Ansicht einer Messeinrichtung und
-
2 die Messeinrichtung gemäß 1 in seitlicher Ansicht ohne Presskraft-Beaufschlagung des Seils und
-
3 die Messeinrichtung gemäß 2 bei mit Presskraft beaufschlagtem Seil.
-
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen füreinander entsprechende Elemente verwendet.
-
Die Messeinrichtung gemäß 1 weist eine erste Abschlussplatte 13 auf, die über Rundbolzen-förmige Führungsstangen 10, 11, 12, 19 mit einer zweiten Abschlussplatte 16 verbunden ist. Die Abschlussplatten 13, 16 sind jeweils mit den Führungsstangen 10, 11, 12, 19 verschraubt. Die Abschlussplatten 13, 16 sowie die Führungsstangen 10, 11, 12, 19 bilden einen Aufnahmerahmen für die nachfolgend beschriebenen weiteren Elemente der Messeinrichtung. An dem Aufnahmerahmen 10, 11, 12, 13, 16, 19 ist eine Zwischenplatte 14 und eine Pressplatte 15 vorgesehen. Die Pressplatte 15 ist über ein zylindrisches Verbindungsstück 1 mit der Zwischenplatte 14 verbunden. Das zylindrische Verbindungsstück 1 bildet zusammen mit der Zwischenplatte 14 und der Pressplatte 15 ein erstes Presselement. Das erste Presselement 1, 14, 15 ist längs verschiebbar auf den Führungsstangen 10, 11, 12, 13 angeordnet. Vorteilhaft kann das zylindrische Verbindungsstück 1 als Kraftmessdose ausgebildet sein oder eine Kraftmessdose enthalten. Mittels der Kraftmessdose kann die ausgeübte Presskraft bestimmt werden.
-
Zwischen der Zwischenplatte 14 und der Abschlussplatte 13 ist ein Aktuator 8 vorgesehen, z. B. in Form eines hydraulischen Zylinders, der über ein hydraulisches Druckmittel ausfahrbar ist. Der hydraulische Zylinder 8 gibt bei Druckbeaufschlagung eine Presskraft an das erste Presselement 1, 14, 15 ab, in Folge dessen das erste Presselement 1, 14, 15 eine Bewegung in Längsrichtung der Führungsstangen 10, 11, 12, 13 zu der Abschlussplatte 16 hin ausführt.
-
Die Zwischenplatte 14 ist ferner mit einem Sensorelement 4 verbunden, das zur Erfassung der Längsbewegung des ersten Presselements 1, 14, 15 dient. Das Sensorelement kann beispielsweise ein potentiometrisches Sensorelement sein. Es ist auch möglich, dass das Sensorelement 4 in den Aktuator 8 integriert ist.
-
Die Abschlussplatte 16 bildet zugleich ein zweites Presselement 2, das ein Gegenlager zum ersten Presselement 1, 14, 15 bildet und eine Reaktionskraft zu der Presskraft erzeugt. Zwischen der Pressplatte 15 und dem zweiten Presselement 2 sind ein erstes und ein zweites Aufnahmeelement 17, 18 vorgesehen, die zur Seilführung und zugleich zur Aufnahme und Fixierung eines Passstücks 6 dienen. Das Passstück 6 weist eine Anlagefläche 7 auf, mit der das Seil bei einer Messung von Seil-Kenndaten zur Anlage kommt. Zwischen der Anlagefläche 7 und der Pressplatte 15 befindet sich eine Aufnahmestelle 3 für das Seil, in die das Seil für eine Messung von Seil-Kenndaten eingelegt wird. Die erste und die zweite Halteplatte 17, 18, die Anlagefläche 7 und die gegenüberliegende Seite der Pressplatte 15 bilden so einen Aufnahmeraum für das zu messende Seil.
-
Die 2 zeigt die Messeinrichtung gemäß 1 in Seitenansicht, und zwar aus einer Richtung, in der nur die Führungsstangen 11, 12 sichtbar sind und die Führungsstangen 10, 19 verdeckt sind. Zudem ist ein Seil 5 im Querschnitt dargestellt. Weiterhin zeigt die 2 eine Auswerteeinrichtung 9 für von der Messeinrichtung abgegebene Messdaten.
-
In 2 ist der Aktuator 8 unbetätigt dargestellt, d. h. das Seil 5 ist nicht mit einer Presskraft beaufschlagt. Dementsprechend wird von der Messeinrichtung auch ein Signal an die Auswerteeinrichtung 9 abgegeben, dass die auf das Seil einwirkende Kraft F = 0 ist. Das Sensorelement 4 gibt ein Wegsignal dS = dS1 ab, das anzeigt, dass die Seildicke im nicht von der Presse beaufschlagten Zustand den Wert dS1 hat.
-
Die 3 zeigt die Messeinrichtung gemäß 2 bei betätigtem Aktuator 8. Der Aktuator 8 gibt eine Presskraft Fq über das erste Presselement 1, 14, 15 auf das Seil 5 ab. Das zweite Presselement 2 erzeugt über das Passstück 6 eine entsprechende Reaktionskraft auf das Seil 5. Das Seil 5 erfährt hierdurch eine Verformung, die mit einer Reduzierung der Seildicke in Richtung der Wirklinie der Presskraft Fq verläuft. Die Auswerteeinrichtung 9 erhält von der Messeinrichtung als Daten das Kraftsignal F = Fq und das Wegsignal dS = dS2. dS2 gibt damit die Dicke des Seils 5 im von der Presskraft Fq beaufschlagten Zustand wieder.