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Die
Erfindung betrifft ein Gerät
und ein Verfahren zur Bestimmung der Resonanzfrequenz eines Bauteils
aus Metall und zur Benutzung dieser Information als Indiz für das Vorhandensein
von Spannungen in dem Metallbauteil. Die Erfindung betrifft auch ein
Gerät und
ein Verfahren zur Verringerung der Restspannung, die sich in einem
Metallbauteil aufgebaut hat.
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Alle
Metallbauteile leiden in einem gewissen Grad unter der aufgebauten
Restspannung, die z.B. durch mechanische oder thermische Belastung
verursacht wird. Diese Belastung kann eine sich von Natur aus wiederholende
Belastung sein, wie sie z.B. bei Eisenbahnstrecken, Ventilfedern
und Motorblöcken
auftritt, oder sie kann ein einmaliger Vorgang sein, wie die thermische
Belastung, die während
des Schweißens
auftritt. Das Vorhandensein von Spannung beeinträchtigt die physikalischen Eigenschaften eines
Metallbauteils und kann zu einer Spannungsermüdung und zum Ausfall des Bauteils
führen.
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Verfahren
zur Verringerung der aufgebauten Restspannung sind bekannt. Die
bekannten Verfahren erfordern ein Erwärmen des Bauteils über seine Rekristallisationstemperatur
hinaus und ermöglichen dadurch
die Wiederherstellung der kristallinen Struktur bei einem niedrigeren
Energieniveau. Solche Verfahren sind kostenaufwendig, und der Prozeß kann bis
zu seiner Fertigstellung Tage in Anspruch nehmen, da üblicherweise
eine lange Abkühlungsperiode
erforderlich ist. Dies bedeutet, daß ein Bauteil zumindest für einige
Tage und möglicherweise
für Wochen
außer
Betrieb ist. Für
größere Bauteile
ist das Problem besonders schwierig zu lösen, da es schwierig sein kann,
einen genügend
großen
Ofen zur Verfügung
zu haben.
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Die
Anwendung von Verfahren, die für
die Messung der aufgebauten Restspannung zur Verfügung stehen,
ist nicht weit verbreitet. Es ist laufende Praxis, ein Metallbauteil
unabhängig
von der tatsächlichen
Notwendigkeit einem Verfahren zum Abbau der thermischen Spannung
zu unterziehen. Es tritt deshalb eine erhebliche Vergeudung an Ressourcen auf,
wenn Metallbauteile behandelt werden, bei denen ein Spannungsabbau
nicht erforderlich ist.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Spannungsabbau in Werkstücken durch Vibration ist in
dem US-Patent 5 242 512 beschrieben. Das in diesem Dokument beschriebene
Verfahren befaßt
sich mit dem Abbau von Spannungen in Werkstücken, die durch Metallverarbeitung,
wie Schmieden, Gießen, Schweißen und
maschinelles Bearbeiten erzeugt wurden. Dabei wird berücksichtigt,
daß Werkstücke, in
denen die Restspannungen nicht abgebaut wurden, eine erhöhte Tendenz
zum Verwinden und zur Korrosion aufweisen sowie eine erhöhte Wahrscheinlichkeit
eines vorzeitigen Ausfalls. Die beschriebenen Verfahren sind verbunden
mit einem Spannungsabbau nach der anfänglichen Herstellung oder Erzeugung
eines Werkstücks,
wie einer Druckgußform oder
einem Bauteil in einem Fahrzeug.
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Ein ähnliches
Problem tritt bei langgestreckten Bauteilen, wie Eisenbahnstrecken
und Pipelines auf. Eine Eisenbahnstrecke wird im allgemeinen so verlegt,
daß sie
sich bei einer bestimmten Temperatur in einem neutralen Belastungszustand
befindet. Wenn die Temperatur des Schienenwegs über der neutralen Temperatur
liegt, wird die Eisenbahnstrecke als Ganzes unter Druck gesetzt,
da sich die Abschnitte ausdehnen. Bei exzessiv großen Werten kann
dies zu einem Verwinden der Schiene führen. Bei Temperaturen, die
unterhalb der neutralen Temperatur liegen, tritt in den Schienenabschnitten
eine Zugspannung auf. Bei einem bestimmten Punkt, wenn die Zugkräfte groß genug
sind, d.h. die Temperatur niedrig genug ist, können die Schienenabschnitte
abreißen.
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Da
die Folge des Abreißens
von Schienenabschnitten ein weniger großes Sicherheitsrisiko darstellt
als das Verwinden der Schiene, wird die neutrale Temperatur üblicherweise über die
durchschnittliche Sommertemperatur gelegt. In Neuseeland wird die
neutrale Temperatur auf etwa 30°C
festgelegt.
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Eisenbahnstrecken
durchlaufen einen erheblichen thermischen Zyklus. Sie sind auch
einer beträchtlichen
mechanischen Belastung ausgesetzt, wenn Züge über die Schienen fahren. Dies
kann zu einer plastischen Verformung der Schienen führen, d.h.
die Schienen dehnen sich aus. Wenn dies geschieht, wird die neutrale
Temperatur der Schienen niedriger, so daß die Gefahr, daß die Schienen
sich an heißen
Tagen verwinden, größer wird.
Man geht im allgemeinen davon aus, daß Eisenbahnstrecken etwa alle
10 Jahre nachgestellt oder nachgespannt werden müssen, d.h. unter Spannung neu
verlegt werden müssen,
um die neutrale Temperatur neu einzustellen und die Verwindungsgefahr
zu minimieren. Es ist derzeit eine kosten- und zeitaufwendige Aufgabe,
eine Eisenbahnstrecke zu heben und neu zu verlegen. Durch das Nachspannen
von Streckenabschnitten, die eigentliche keinerlei Spannen erfordern,
werden erhebliche Ressourcen vergeudet, weil bisher kein geeignetes
Verfahren zur Verfügung steht,
um eine Strecke zu testen und festzustellen, ob sie ein Nachspannen
benötigt.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zum Prüfen eines
Metallbauteils zur Verfügung
zu stellen, die zumindest einige der oben erwähnten Probleme lösen oder
der Öffentlichkeit
eine brauchbare Alternative zur Verfügung stellen.
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Nach
einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren für die In-Situ-Prüfung des
Spannungsniveaus in einem Eisenbahnstreckenabschnitt vorgesehen,
wobei der Eisenbahnstreckentestabschnitt mit anschließenden Eisenbahnstreckenabschnitten angeordnet
und konfiguriert ist, wobei das Verfahren die Verfahrensschritten
aufweist:
- a) Anbringen einer Schwingungseinrichtung
(28) an dem Eisenbahnstreckentestabschnitt um eine im wesentlichen
direkte Schwingungskopplung zwischen der Schwingungseinrichtung
(28) und dem Eisenbahnstreckentestabschnitt herzustellen,
und Anbringen einer Schwingungsmeßeinrichtung (31)
und einer Temperaturmeßeinrichtung
(36) an dem Eisenbahnstreckentestabschnitt in einem vorbestimmten
Abstand von der Schwingungseinrichtung (28),
- b) Betreiben der Schwingungseinrichtung (28) durch
einen vorbestimmten Bereich von Schwingungsfrequenzen mit einer
vorbestimmten Rate und einer konstanten Eingangsamplitude zum Lokalisieren
und Messen einer Resonanzfrequenz des Eisenbahnstreckenprüfabschnitts,
wobei der Eisenbahnstreckentestabschnitt bei einer spezifischen
Temperatur geprüft
wird, wie sie von der Temperaturmeßeinrichtung (36)
gemessen wird, und
- c) Vergleichen des Resonanzfrequenzprofils des Eisenbahnstreckenprüfabschnitts
mit einem bei der von der Temperaturmeßeinrichtung (36)
gemessenen Temperatur erwarteten Referenz-Resonanzfrequenzprofil
für einen
Referenz-Eisenbahnstreckenabschnitt, um das Spannungsniveau in dem
Eisenbahnstreckentestabschnitt zu bestimmen.
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Es
wird vorzugsweise ein vorbereitender Verfahrensschritt durchgeführt zum
Einrichten eines Referenz-Resonanzfrequenzprofils für ein Bauteil
eines Referenz-Eisenbahnstreckenabschnitts bei bekanntem Spannungsniveau
und einer speziellen Temperatur, wobei der vorbereitende Verfahrensschritt
die Stufen umfaßt:
- i) Ausführen
der Schritte a) und b) des Verfahrens nach Anspruch 1 an dem Referenz-Eisenbahnstreckenabschnitt,
- ii) Messen der Temperatur des Referenz-Eisenbahnstreckenabschnitts
und
- iii) Wiederholen der Schritte i) und ii) in jedem Temperaturbereich
des Referenz-Eisenbahnstreckenabschnitts, um für jede Temperatur eine Resonanzfrequenz
zu gewinnen.
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Das
Resonanzfrequenzprofil des Eisenbahnstreckenprüfabschnitts bei einer vorbestimmten
neutralen Temperatur wird vorzugsweise mit einem Paar von Referenz-Resonanzfrequenzprofilen
verglichen, wobei die beiden Referenz-Eisenbahnstreckenabschnitte
das gleiche Spannungsniveau jedoch bei verschiedenen Temperaturen
haben, so daß dann, wenn
das Resonanzfrequenzprofil des Eisenbahnstreckenprüfabschnitts
zwischen den beiden Referenz-Resonanzfrequenzprofilen liegt, keine
Neuverlegung erforderlich ist.
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Die
beiden Referenz-Streckenabschnitte liegen vorzugsweise bei Temperaturen,
die sich um 6°C unterscheiden,
auf dem gleichen Spannungsniveau.
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Die
Schwingungseinrichtung wird vorzugsweise über einen Schwingungsfrequenzbereich
von 0 bis 130 Hz betrieben.
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Die
Temperaturmeßeinrichtung
ist vorteilhafterweise ein Pyrometer. Der Temperaturbereich, in dem
die Referenz-Resonanzfrequenzen gemessen werden, reicht vorzugsweise
von 0 bis 35°C.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Gerät für die In-Situ-Prüfung des
Spannungsniveaus eines Eisenbahnstreckenabschnitts vorgesehen, wobei
das Gerät
eine Schwingungseinrichtung (28), eine Befestigungseinrichtung
(30), eine Steuereinrichtung (2), eine Schwingungsmeßeinrichtung (31)
und eine Temperaturmeßeinrichtung
(36) aufweist, wobei die Befestigungseinrichtung (30)
so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie bei der Benutzung die
Schwingungseinrichtung (28) in situ direkt mit dem Eisenbahnstreckentestabschnitt
koppelt, und wobei die Steuereinrichtung (2) bei der Benutzung
die Betätigung
der Schwingungseinrichtung (28) steuert und die Schwingungsmeßeinrichtung (31)
so steuert, daß diese
die Schwingungsamplitude in dem Eisenbahnstreckentestabschnitt mißt, während die
Temperaturmeßeinrichtung
(36) die Temperatur des Eisenbahnstreckenprüfabschnitts
mißt.
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Die
Schwingungseinrichtung weist vorteilhafterweise einen Motor auf,
der eine Welle antreiben kann, an der ein exzentrisches Gewicht
montiert ist.
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Die
Schwingungssteuereinrichtung enthält vorzugsweise eine Geschwindigkeitsjustiereinrichtung
zum Einstellen der Geschwindigkeit des Motors.
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Die
Schwingungssteuereinrichtung umfaßt ferner einen Wandler zum
Umwandeln eines an der Welle gemessenen Rückkopplungs-Geschwindigkeitssignals
in ein Frequenzsignal und ein Geschwindigkeitssteuersignal umfaßt, wobei
das Frequenzsignal von einer Frequenzanzeigeeinrichtung angezeigt wird
und das Geschwindigkeitssteuersignal bei der Benutzung von der Geschwindigkeitsjustiereinrichtung
so justiert wird, daß die
in den Eisenbahnstreckentestabschnitt induzierte Schwingungsfrequenz
variiert wird.
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Das
Gerät umfaßt ferner
vorzugsweise einen Timer, um bei der Benutzung die Zeitperiode einzustellen,
in der die Steuereinrichtung zur variablen Geschwindigkeitsteuerung
die Schwingungseinrichtung betätigt.
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Die
Schwingungsmeßeinrichtung
weist vorzugsweise einen Meßwandler
auf zum Umwandeln der in des Metallbauteils gemessenen Schwingung
in ein elektrisches Schwingungsamplitudensignal für die Anzeige
in einer Schwingungsamplitudensignal-Anzeigeeinrichtung.
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Das
Schwingungsamplitudensignal und das Schwingungsfrequenzsignal werden
vorzugsweise in entsprechende äquivalente
digitale Signale umgewandelt und durch ein geeignetes, in einem
Computer ablaufendes Softwareprogramm verarbeitet, um ein Diagramm
des zeitlichen Verlaufs der Schwingungsamplitude über der
Schwingungsfrequenz auf einem Monitor und/oder einem Drucker anzuzeigen.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung, die nur als Beispiel dienen, anhand der anliegenden
Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
ein Gerät
nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 zeigt
das Gerät
von 1, das zum Prüfen
eines Eisenbahnstreckenabschnitts nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
eingesetzt wird,
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3 zeigt
eine typische Graphik der Schwingungsfrequenz über der Schwingungsamplitude
für ein
Metallbauteil, das dem in 2 demonstrierten
Prüfverfahren
unterzogen wird.
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In 1 ist
ein Gerät
nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt, das insgesamt mit 1 bezeichnet ist. Das
Gerät 1 umfaßt einen
Schwingungsgenerator 1a, eine Steuereinheit 2 für die Betriebssteuerung
des Schwingungsgenerators 1a, Klemmen 30 zum Anbringen des
Geräts 1 an
einem zu testenden oder zu entspannenden Bauteil 29 und
einen Schwingungswandler 31 zum Messen der Amplitude der
in dem geprüften
oder zu entspannenden Bauteil induzierten Schwingung.
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Die
Steuereinheit 2 steuert jeden Schritt der Verfahren nach
dem zweiten Aspekt der Erfindung und ist für die analogen Signalverarbeitungsschaltungen
des Geräts 1 zentral
angeordnet. Die Steuereinheit 2 besitzt eine Stromversorgung 3,
die z.B. eine Netzstromversorgung mit 230 V Wechselstrom, 50 Hz
sein kann und über
ein Kabel 4 mit einem geeigneten Dreiphasen-Transformator 5 verbunden
ist, um den Eingangsstrom in einen Dreiphasen-Versorgungstrom zu
transformieren. Der Dreiphasen-Ausgangsstrom 6 kann einem
Treiber 7 für
variable Geschwindigkeit zugeführt
werden, um den über
ein Kabel 8 zugeführten
Strom für
den Antrieb eines Motors 9 zu begrenzen, der Bestandteil
des Schwingungsgenerators 1a ist. Der Motor 9 kann
z.B. ein 750 W-Zweipol-Dreiphasenmotor sein.
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Der
Motor 9 ist über
eine Kupplungsanordnung 10 angeschlossen und dreht exzentrische
Gewichte 11 um eine Welle 12. Die Kupplungsanordnung 10 besteht
vorzugsweise aus zwei Riemenscheiben und einem Riemen und kuppelt
die Welle des Motors 9 mit der Welle 20, die die
exzentrischen Gewichte 11 dreht. Die physikalische Anordnung
ist in 2 dargestellt.
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Auf
der Welle 12 ist eine Meßvorrichtung zur Messung der
Wellengeschwindigkeit, vorzugsweise ein Tachometer 13,
montiert. Das Geschwindigkeitsausgangssignal liefert ein Rückkopplungssignal,
das über
die Leitung 14 einem Geschwindigkeitssignalprozessor 15 zugeführt wird.
Der Geschwindigkeitssignalprozessor 15 wandelt das Signal
in ein variables Geschwindigkeitssteuersignal um, das mit Hilfe eines
Geschwindigkeitseinstellknopfes 16 nach Bedarf justiert
und über
die Leitung 17 dem Geschwindigkeitstreiber 7 zugeführt wird.
Durch das Justieren des Geschwindigkeitseinstellknopfes 16 wird
die Wellengeschwindigkeit des Motors 9 vergrößert oder verkleinert
und damit die Schwingungsfrequenz gesteuert.
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Der
Geschwindigkeitssignalprozessor 15 liefert auch ein Frequenzsignal,
das über
die Leitung 18 für
die Anzeige in einer Frequenzmeßeinrichtung 19 übertragen
wird. Das Frequenzsignal wird außerdem von dem Prozessor 15 skaliert,
und das ausgegebene Schwingungsfrequenzsignal wird über die
Leitung 20 einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführt. Die
digital ausgegebene Frequenz des Schwingungssignals wird über eine
Leitung 22 einem Computer 23 zugeführt, der
ein Diagramm liefert, wie es in 3 als Beispiel
dargestellt ist.
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Eine
Abtastschaltung, bestehend aus einem Timer, Ablauf- und Abtastrampen-Steuerkomponenten 24 und
einem Wählschalter 25 ermöglicht es,
daß die
exzentrischen Gewichte innerhalb des gewünschten Betriebsfrequenzbereichs
rotieren. Bei dem Verfahren zum Prüfen von Eisenbahnstrecken liegt
der bevorzugte Schwingungsfrequenzbereich im allgemeinen zwischen
0 und 130 Hz. Eine Schutzeinrichtung in Form eines Timers 26,
der über
die Leitung 27 mit dem Geschwindigkeitstreiber 7 verbunden
ist, kann dazu benutzt werden, die Zeit zu begrenzen, in der die
Prüf- oder
Entspannungsverfahren arbeiten, um sicherzustellen, daß die in
einem Metallbauteil induzierten Schwingungen nicht über eine
gewünschte
Zeitperiode hinaus andauern. Der Timer 26 zeigt vorzugsweise
die Countdown-Zeit
einer Operation an.
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Die
exzentrischen Gewichte 11 sind um die Welle 12 justierbar,
um die Eingangsamplitude der Schwingung zu variieren. Die Eingangsamplitude
der Schwingung ist justierbar, um sie an verschiedene Prüfbedingungen
anzupassen. Zum Prüfen
von Eisenbahnstreckenabschnitten, wie es anhand von 2 näher beschrieben
wird, liegt die Schwingungsamplitude z.B. allgemein zwischen 4 mm/s
und 12 mm/s, vorzugsweise jedoch bei etwa 8 mm/s. Je niedriger die
für eine
Eisenbahnstrecke aufgezeichnete Temperatur ist, desto höher ist im
allgemeinen die Eingangsschwingungsamplitude in diesem Bereich,
die benötigt
wird, um verarbeitbare Daten für Vergleichszwecke
zu gewinnen.
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Die
Klemmen 30 befestigen und sichern die Schwingungseinheit 28 an
dem Metallbauteil 29 in der Weise, daß die Gewichte 11 in
der Nähe
des Metallbauteils 29 liegen, bevor eine Operation beginnt.
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Ein
geeigneter Schwingungswandler 31, vorzugsweise vom induktiven
Typ, ist mit geeigneten Montagemitteln, vorzugsweise in einem vorbestimmten
Abstand von der Schwingungseinheit 28, an dem Metall 29 montiert,
um während
des Betriebs die Schwingungsamplitude des Metallbauteils 29 in
Millimetern pro Sekunde zu messen. Die gemessenen elektrischen Wandlersignale
werden zum Zwecke der Signalaufbereitung über die Leitung 32 einem Schwingungssignalprozessor
zugeführt.
Die gemessene Schwingungsamplitude wird in einer Schwingungsmeßeinrichtung 39 angezeigt.
Die Messungen der Schwingungsmeßeinrichtung 39 können während des
Betriebs mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Beschleunigungsmessers
geprüft
und kalibriert werden, der ein Präzisionsinstrument darstellt,
das die Amplitude der Schwingung, die in einem von der Schwingungseinheit 28 in
Schwingung versetztes Metallteil induziert werden, genau messen
kann.
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Die
Ausgangsamplituden der Schwingungssignale werden über die
Leitung 34 auch dem Analog-Digital-Wandler 21 zugeführt, der
sie aus analogen in digitale Signale umwandelt, die die in dem Metall 29 gemessene
Schwingungsamplitude repräsentieren.
Die digitalen Ausgangssignale 35 werden dem Computer 23 zugeführt, der
die Y-Koordinate in einem Anzeigediagramm liefert, wie es in 3 dargestellt
ist.
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Eine
Meßvorrichtung
zur Messung der Metalltemperatur, vorzugsweise ein Pyrometer 36,
ist mit dem Metall 29 verbunden, um die Temperatur des Metalls 29 zu
messen und anzuzeigen.
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Der
Computer 23 wird von einem Softwareprogramm zur Spektralanalyse
gesteuert, das so ausgebildet ist, daß die ankommenden Daten, die über die
Leitungen 22 und 35 empfangen werden, verarbeitet
und die Ergebnisse in einer Graphik aufgetragen werden, um die Unversehrtheit
der metallurgischen Struktur in dem Metall 29 anzuzeigen.
Diese Graphiken liefern eine Anzeige für die dynamischen Änderungen,
die in der metallurgischen Struktur in den verschiedenen Stadien
auftreten, wenn ein Metallteil entspannt wird, oder liefern eine
Anzeige der metallurgischen Struktur, wenn ein Metallteil einfach
abgetastet oder geprüft
wird.
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In
Verbindung mit dem Computer 23 wird vorzugsweise ein Computerdrucker 37 benutzt,
um auf Wunsch die Ergebnisse der Prüfung und/oder des Entspannens
auszudrucken, die in jedem Stadium einer Operation durchgeführt wird. 3 zeigt
ein Muster eines Ausdrucks des Druckers 37. Aus der aufgetragenen
Graphik der Schwingungsamplitude über dem Frequenzbereich ist
erkennbar, daß die Schwingungsamplitude
annähernd
konstant bleibt, bis bei etwa 80 Hz die Resonanzfrequenz des Metallbauteils
erreicht wird. Wenn die Schwingungsfrequenz von 80 Hz auf 85 Hz
ansteigt, steigt die Schwingungsamplitude auf einen Spitzenwert
an und nimmt dann wieder ab, bis die Schwingungseinheit bei etwa
90 Hz abgeschaltet wird. Der Resonanzfrequenzpegel wird für Vergleichszwecke
notiert.
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Als
weiteres Überwachungsmittel
können
die verarbeiteten Daten auf einem Computermonitor 38 angezeigt
werden. Dieser Monitor 38 kann für Aspekte zur Überwachung
der in dem Metall auftretenden dynamischen Änderungen von Nutzen sein.
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Es
sei nun auf 1 Bezug genommen. Das Gerät 1 ist
für die
Durchführung
der Verfahren zum Prüfen
und Entspannen eines Metallbauteils nach weiteren Aspekten der Erfindung
bestimmt, die nun beschrieben werden.
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Ein
Entspannen durch Schwingungen kann im allgemeinen in weniger als
einer Stunde durchgeführt
werden und erfordert keine Erwärmungs-
oder Abkühlungsperiode,
wie sie z.B. bei den Verfahren zum thermischen Entspannen erforderlich
sind. Ein weiterer Vorteil gegenüber
dem thermischen Entspannen besteht darin, daß ein Bauteil innerhalb weniger
Stunden entspannt werden kann, so daß das Metallbauteil nicht für Tage außer Betrieb
gesetzt werden muß,
wie dies normalerweise der Fall ist, wenn man auf thermische Entspannungsverfahren angewiesen
ist.
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Für größere Bauteile
aus Metall, wie z.B. ein Lastwagenchassis, kann die Schwingungseinheit 28 des
Geräts 1 an
dem Chassis in seiner Position festgeklemmt werden. Es ist entscheidend,
daß eine
im wesentlichen direkte Kopplung zwischen der Schwingungseinheit 28 und
dem Lastwagenchassis hergestellt wird. Es wird eine Eingangsprüfung oder
-abtastung durchgeführt,
um festzustellen, wo die Resonanzfrequenz des Chassis liegt, indem
der Geschwindigkeitseinstellknopf 16 benutzt wird, um die Geschwindigkeit
und damit die Frequenz der Schwingungen zu erhöhen, die in das Chassis induziert
werden, bis die Schwingungsmeßeinrichtung 39 eine Spitze
anzeigt, die aufgezeichnet wird und einen ausgeprägten Anstieg
in der Schwingungsamplitude anzeigt. Die Frequenz wird in der Frequenzmeßeinrichtung 19 notiert,
und diese Frequenz ist die Einstellfrequenz, die während des
Entspannens benutzt wird.
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Die
Eingangsschwingungsamplitude wird eingestellt, indem der relative
Versatz zweier exzentrischer Gewichte um die Welle 12 justiert
wird. Der während
der anfänglichen
Abtastung zur Ermittlung der Resonanzfrequenz notierte Schwingungspegel wird
geprüft,
um sicherzustellen, daß er
innerhalb des sicheren, akzeptablen Schwingungsbereichs liegt, der
während
des Entspannens benutzt werden soll. Falls der Schwingungspegel
eine Justierung erforderlich macht, werden die Gewichte 11 justiert, und
der Schwingungspegel wird geprüft.
Der akzeptable Bereich liegt im allgemeinen zwischen 4 mm/s und
12 mm/s und hängt
von dem benutzten Metall und dem Typ des Metallbauteils ab.
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Der
Timer kann auf die für
den Spannungsabbau gewünschte
Zeitspanne eingestellt werden, die im allgemeinen unter 40 Minuten
und vorzugsweise bei etwa 20 Minuten für die meisten Metallbauteile liegt.
Der Schalter 25 wird ausgelöst, und der Geschwindigkeitseinstellknopf 16 wird
justiert, um die Frequenz auf die gewünschte Einstellfrequenz hochzufahren.
Der vorbestimmte Schwingungspegel wird ebenfalls geprüft.
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Die
Schwingungseinheit 28 wird beispielsweise 25 Minuten lang
betrieben und dann gestoppt. Vor und nach der Durchführung der
Arbeitsschritte des Verfahrens zum Spannungsabbau kann auf dem Computerdrucker 37 an
Ausdruck in Diagrammform hergestellt werden, um den Unterschied
zu sehen, den die Operation an dem Teil des Chassis bewirkt hat,
an dem der Spannungsabbau durchgeführt wurde. Anschließend können die
anderen Abschnitte des Chassis entspannt werden, indem die Schwingungseinheit 28 neu
positioniert wird und das Verfahren zum Spannungsabbau wiederholt
wird, wie es oben im Detail beschrieben wurde.
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Das
Gerät 1 von 1 kann
auch zur Durchführung
eines Verfahrens zur Unterstützung
des Schweißprozesses
und/oder zur Verbesserung von Schweißergebnissen benutzt werden.
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Dieses
Verfahren kann während
oder nach dem Schweißprozeß angewendet
werden. Das Verfahren umfaßt
das Befestigen der Schwingungseinheit 28 an dem zu schweißenden Metallbauteil
vorzugsweise mit Hilfe der Klemme 30 und das in Schwingung
Versetzen des Metallbauteils, um das Betriebsfrequenzniveau einzurichten,
das im allgemeinen unter der Resonanzfrequenz des Metalls liegt.
Diese liegt im allgemeinen zwischen 85 und 120 Hz. Die Schwingungsamplitude
wird ebenfalls geprüft.
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Dann
beginnt das Schweißen,
während
das Gerät 1 das
Metallbauteil in Schwingung versetzt. Unmittelbar nachdem das Schweißen beendet
wurde, setzt das Gerät 1 seinen
Betrieb für
etwa 30 Minuten bei der korrekten Frequenz und Schwingungsamplitude
fort.
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Als
Ergebnis der Schwingungsbehandlung wurde herausgefunden, daß die hergestellte Schweißstelle
eine verbesserte Nachbarzone besitzt und die Größe der Verformung minimiert
ist. Die maschinelle Bearbeitung von Zylinderköpfen aus Legierung kann spürbar schneller
durchgeführt
werden, als dies anderweitig möglich
wäre.
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Kleinere
Bauteile können
an einem Rütteltisch
festgeklemmt werden, dessen metallisches Oberteil auf Gummikissen
montiert ist, wobei die Schwingungseinheit 28 ebenfalls
an dem Oberteil montiert wird. Der wesentliche Aspekt dieser Variante besteht
darin, daß alle
drei Teile für
die direkte Kopplung fest miteinander verbunden werden müssen, um sicherzustellen,
daß die
Schwingungen richtig in das zu testende und/oder zu entspannende
Metallbauteil induziert werden.
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Das
Gerät gemäß der Erfindung
eignet sich speziell für
das Verfahren zur In-Situ-Prüfung
eines Eisenbahnstreckenabschnitts 40. Dieses Verfahren wird
durchgeführt,
um festzustellen, ob ein Schienenabschnitt innerhalb vorbestimmter
Sicherheitsbetriebsparameter bleibt. Es wurde bereits gesagt, daß ungünstige Effekte,
wie Verwindungs- oder Fluchtungsprobleme auftreten können, wenn
Abschnitte einer Eisenbahnstrecke aus diesen Parametern herausfallen.
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Es
wird allgemein angenommen, daß ein Metallstab
sich um die Größe A verlängert, die
sowohl zur Temperaturänderung
dT als auch zur Länge L
des Stabs proportional ist. Dies läßt sich darstellen durch A = *(dT)Lworin * eine Materialkonstante
ist, die als Wärmeausdehnungskoeffizient
bezeichnet wird. Der Koeffizient * stellt eine Quantität pro Grad
Celsius dar, wenn die Temperaturänderung
dT in Grad Celsius ausgedrückt wird.
Wenn diese Eigenschaft gegeben ist, dehnt sich der Stab aus, wenn
die Temperatur ansteigt, und zieht sich zusammen, wenn die Temperatur
abfällt. Diese
Eigenschaft stellt kein Problem dar, wenn der Stab z.B. als Trägerbalken
dient, wenn die Enden des Stabs jedoch zwischen zwei Trägern fixiert
sind, üben
die Träger
gleiche und entgegengesetzte Kräfte auf
den Stab aus, wenn die Temperatur ansteigt und erzeugen so einen
Spannungszustand in dem Stab. Diese Spannung erzeugt im Laufe der
Zeit eine dynamische Änderung
in der metallurgischen Struktur des Stabs.
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Eine
solche Situation tritt in Abschnitten einer Eisenbahnstrecke auf,
die stumpf aneinandergefügt sind.
Um diese in der Eisenbahnstrecke induzierten Spannungen zu bewältigen,
die durch die normalen täglichen
Temperaturschwankungen verursacht werden, sollten Eisenbahnstreckenabschnitte
nach dem gleichen Standard in der Weise verlegt werden, daß jeder
Streckenabschnitt bei wechselnden Temperaturen so ausgedehnt und
zusammenge zogen wird, daß in
den angrenzenden Streckenabschnitten kein unakzeptables Spannungsniveau
induziert wird. Ein akzeptabler Standard, nach dem alle Abschnitte
einer Strecke in Neuseeland verlegt werden müssen, liegt bei einer neutralen
Temperatur von 30°C.
Bei diesem Temperaturniveau ist der Streckenabschnitt weder auf
Zug noch auf Druck beansprucht. Dieses ist der Referenzstandard,
gegen den alle Streckenabschnitte gemessen werden, um festzustellen,
ob ein geprüfter
Streckenabschnitt innerhalb akzeptabler Betriebsparameter betrieben
wird. Die Toleranz, innerhalb derer der akzeptable Betriebsparameter
liegt, ist eine Strecke, die sich auf einer neutralen Temperatur zwischen
27 und 33°C
befindet. Wenn die Strecke außerhalb
dieses Bereichs liegt, muß sie
neu verlegt werden.
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Um
diesen erwünschten
Zustand zu erreichen, wird jeder Abschnitt einer Eisenbahnstrecke periodisch
gehoben und neu verlegt, um sicherzustellen, daß die Unversehrtheit der Eisenbahnstrecke beibehalten
wird. Dieses Heben und Neuverlegen geschieht im allgemeinen etwa
alle 10 Jahre. Diese Operation ist jedoch kosten- und zeitaufwendig
und stellt eine Verschwendung dar, wenn die Strecke in Wirklichkeit
noch innerhalb akzeptabler Betriebsparameter funktionierte.
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Das
Gerät nach
einem Aspekt der Erfindung eignet sich gut für die Durchführung des
Verfahrens für
die In-Situ-Prüfung
der Unversehrtheit eines Streckenbahnabschnitts in folgender Weise.
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Wenn
sich das Spannungsniveau innerhalb eines Eisenbahnstreckenabschnitts
mit der Temperatur ändert,
besteht bei diesem Verfahren ein vorbereitender Verfahrensschritt
darin, Referenzdaten zu gewinnen, die als "Blaupause" oder Schablone benutzt werden, die
die wünschenswerten
Betriebsparameter eines Eisenbahnstreckenabschnitts repräsentieren.
Dies wird durch das Prüfen
eines Streckenabschnitts erreicht, der nach einem Standard verlegt wurde,
der als innerhalb der sicheren Betriebsparameter liegend akzeptiert
ist, wie sie von der Eisenbahnindustrie festgelegt wurden. Diese
Blaupause wird dadurch erzeugt, daß das Gerät 1 an dem dem Industriestandard
entsprechenden Streckenabschnitt befestigt wird, die Strecke bei
jedem Temperaturgrad abgetastet und die Ergebnisse aufgezeichnet
werden. Der Temperaturbereich, in dem Daten aufgezeichnet werden,
liegt für
die Bedingungen in Neuseeland im allgemeinen zwischen 0°C und 35°C. Der Bereich ändert sich
in Abhängigkeit
von den mittleren Temperaturen, denen die Strecke in der Landschaft
ausgesetzt ist, in der die Prüfung
stattfindet.
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Jede
Abtastung ist in 20 bis 30 Sekunden fertiggestellt. Die Ergebnisse
zeigen die Amplitude oder den Pegel der Schwingungen, die auf der
Strecke aufgezeichnet werden, in Millimetern pro Sekunde und das
Frequenzniveau, bei dem diese Schwingungsniveaus aufgezeichnet werden.
Die Ergebnisse werden für
Vergleichszwecke vorzugsweise in einem Dia gramm ausgedruckt. Die
Ergebnisse werden während
des Prüfens
oder des Abtastens von Eisenbahnstrecken als "Blaupause" oder Referenzmaß benutzt, mit dem die Ergebnisse
jeder Prüfung
verglichen werden, um festzustellen, ob ein geprüfter Streckenabschnitt innerhalb
der festgesetzten sicheren Betriebsparameter betrieben wird oder
nicht.
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Der
Parameter für
einen sicheren Betrieb eines Eisenbahnstreckenabschnitts ändert sich
in Abhängigkeit
von Faktoren, wie den atmosphärischen Bedingungen,
unter denen eine Eisenbahnstrecke betrieben werden soll. Durch Tests
mit Hilfe des Geräts 1 gemäß der Erfindung
wurde festgestellt, daß eine
Eisenbahnstrecke bei jedem Grad der Temperaturänderung in einem vorbestimmten
Bereich der gewünschten
Resonanzfrequenz liegen sollte.
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Die
bevorzugten Verfahrensschritte zum Prüfen eines Eisenbahnstreckenabschnitts
sind die folgenden.
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Die
Schwingungseinheit 28 wird in situ mit Klemmen 30 an
einem Abschnitt der zu prüfenden Strecke 40 festgeklemmt.
Vorzugsweise wird die Schwingungseinheit 28 in der Nähe eines
Endes der zu prüfenden
Strecke 40 festgeklemmt. Der Wandler 31 wird an
der Strecke 40 in einem vorbestimmten Abstand von der Schwingungseinheit 28 montiert. Dieser
Abstand beträgt
vorzugsweise etwa 200 mm von dem Kopf der Gewichte 11.
Das Einstellen der Gewichte wird so justiert, daß man bei einer Frequenz von
etwa 105 Hz einen Anzeigewert von etwa 8 mm/s erhält. Diese
Einstellung wird als konstante Eingangsschwingungsamplitude für alle Prüfungen benutzt,
die an Eisenbahnstreckenabschnitten durchgeführt werden.
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An
der Strecke 40 wird eine Temperaturmeßvorrichtung in Form eines
Pyrometers 36 montiert, um während des Abtastens die Temperatur
der Strecke 40 zu bestimmen. Die aufgezeichnete Temperatur
legt fest, welche Blaupause mit gewünschten Resultaten zu den Resultaten
der Untersuchung paßt.
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Der
Abtast-Timer 26 ist so eingestellt, daß die Abtastung oder Prüfung innerhalb
einer vorbestimmten Zeitspanne beendet wird. Eine Abtastung nimmt
im allgemeinen etwa 20 bis 30 Sekunden in Anspruch. Der Abtastschalter 25 wird
aktiviert, und der Einstellknopf 16 wird so justiert, daß der Motor 9 bis
zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit hochgefahren wird und so
die in die Strecke 40 induzierten Schwingungen allmählich bis
zu einer voreingestellten Schwingungsfrequenz erhöht werden.
Die maximale Schwingungsfrequenz beträgt im allgemeinen etwa 130
Hz, und der interessierende Frequenzbereich liegt zwischen 0 und
130 Hz für
Eisenbahnstreckenabschnitte. Die maximale Frequenz der Abtast- oder
Prüfzwecke
sollte vorzugsweise geringfügig über der
Resonanzfrequenz des Metalls liegen, beim Entspannen sollte sie
jedoch geringfügig
unter der Resonanzfrequenz liegen. Wenn die induzierten Schwingungen
bei der Resonanzfrequenz der Eisenbahnstrecke oder -linie liegen,
wird ein Hochfahren der Schwingungsamplitude induziert, und es besteht die
Gefahr, daß die
Strecke und das Gerät 1 Schaden erleiden.
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Während die
Strecke abgetastet wird, überwacht
der Benutzer den Monitor 38, um sicherzustellen, daß die gewünschte Schwingungsamplitude
in die Strecke 40 induziert wird. Während der Abtastung können Justierungen
vorgenommen werden, indem der Geschwindigkeitseinstellknopf 16 justiert
und das Frequenzniveau auf der Frequenzmeßeinrichtung 19 aufgezeichnet
wird.
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Der
Wandler 31 mißt
die tatsächliche Schwingungsamplitude
in der Strecke 40 und liefert an den Computer 23 ein
Schwingungsamplitudensignal. Die Amplitudenmessungen in Millimetern
pro Sekunde werden von der Meßeinrichtung 39 überwacht und
angezeigt und können
auf Wunsch auf dem Computermonitor 38 betrachtet werden.
Der Tachometer 13 mißt
die Geschwindigkeit der Welle 12, die von dem Prozessor 15 in
ein Frequenzsignal umgewandelt und ebenfalls von dem Computer 23 aufgenommen
wird. Das Softwareprogramm verarbeitet beide Signale, um die Ergebnisse
in einer Graphik anzuzeigen. Die Ergebnisse aller Messungen können von
dem Drucker 37 ausgedruckt oder bloß auf dem Monitor 38 angezeigt
werden oder beides.
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Die
Ergebnisse der Prüfung
werden dann mit dem Blaupausen-Standard verglichen, der bei der von
dem Pyrometer 36 gemessenen Temperatur zu erwarten ist.
Wenn sich herausstellt, daß die
Spitzenamplitude des Vibrationssignals, die zwischen etwa 100 Hz
bis 1 10 Hz zu erwarten ist, kleiner ist als das vorbestimmte minimale
Standard-Schwingungssignal auf der Blaupause, wird davon ausgegangen, daß die Strecke 40 unter
Zug steht. Wenn die Spitzenamplitude des Schwingungssignals größer ist
als das vorbestimmte maximale Standard-Schwingungssignal auf der
Blaupause, wird davon ausgegangen, daß die Strecke 40 auf
Druck beansprucht ist. Beide Ergebnisse bedeuten, daß die Strecke 40 nicht
innerhalb der gewünschten
Betriebsparameter arbeitet und von der Eisenbahntrasse abgehoben
und neu verlegt werden sollte.
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Falls
das Ergebnis zeigt, daß der
Spitzenwert des Schwingungssignals bei dem gemessenen Frequenzniveau
innerhalb des vorbestimmten Bereichs von akzeptablen Standard-Schwingungsniveaus
liegt, erkennt man daraus, daß der
getestete Streckenabschnitt dem Industriestandard entspricht und
daß dieser
Eisenbahnstreckenabschnitt nicht von der Trasse abgehoben werden
muß.
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Soweit
in den vorangehenden Ausführungen auf
Einheiten oder Komponenten Bezug genommen wurde, zu denen Äquivalente
bekannt sind, sind auch solche Äquivalente
hier einbezogen, als ob sie individuell aufgeführt wären.
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Dementsprechend
können
an den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung Änderungen
vorgenommen werden, ohne daß damit von
den darin erläuterten
Prinzipien abgewichen wird.
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Nach
der Betrachtung der Prinzipien der Erfindung in der speziellen Form,
in der sie hier diskutiert und dargestellt wurden, werden für den einschlägigen Fachmann
weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung erkennbar. So ist die
Erfindung selbstverständlich
nicht auf die beschriebenen oder dargestellten speziellen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sie
soll vielmehr alle Änderungen
und Modifizierungen abdecken, die im Rahmen der anliegenden Ansprüche liegen.