Beschreibung
P 1403 – Detektion von Vorspannkraftverlusten in Schrauben auf Basis elektromechanischer Impedanzspektren
Schrauben in HV-Verbindungen werden planmäßig vorgespannt, wobei die Betriebssicherheit dieser Schraubenverbindungen maßgeblich von der Höhe der Vorspannkraft beeinflusst wird. Das Erzeugen und Erhalten der erforderlichen Vorspannkraft vor und während der Betriebsbelastung gelingt allerdings nicht immer hinreichend. Ein Vorspannkraftverlust durch selbsttätiges Lösen während der Betriebsbeanspruchung von Schraubenverbindungen kann durch zwei verschiedenartige Ursachen hervorgerufen werden, nämlich durch Lockern infolge Setzens bzw. Kriechens oder durch selbsttätiges Losdrehen von Schraube und/oder Mutter. Vorgespannte Schrauben relaxieren aufgrund der Setzerscheinungen der Oberflächen des Klemmpaketes (Einebnen von Oberflächenrauigkeiten, Kriechen der Beschichtung). Es kommt zu Kriechen, wenn die Grenzflächenpressung der druckbelasteten Oberflächen überschritten wird. Diese Effekte sind zeitabhängig und führen zu einer Reduktion der Vorspannkraft. Insbesondere bei schwingbeanspruchten Schraubverbindungen ist das Versagen jedoch auch häufig auf ein Lockern und/oder selbsttätiges Losdrehen während des Betriebs zurückzuführen. Dies ist gleichbedeutend mit dem vollständigen oder partiellen Verlust der Vorspannkraft, der in vielen Fällen einen Dauerbruch der Schraube zur Folge hat.
In diesem Forschungsprojekt wurde daher ein Verfahren entwickelt, welches z. B. im Rahmen eines Structural Health Monitorings (SHM) eine kostengünstige, kontinuierliche Überwachung der Schraubenkraft mit Hilfe von elektromechanischen Impedanzspektren ermöglicht.
Zur Einführung in die Thematik wird in Kapitel 2 ein kurzer Überblick über den Stand der Technik gegeben, die aktuellen Methoden zur Messung von Vorspannkräften in Schraubverbindungen werden thematisiert (Kapitel 2.1) und die Möglichkeiten und die Zielsetzungen bei der Vorspannung von Schrauben auf Basis der aktuell gültigen Normen und Richtlinien werden vorgestellt (Kapitel 2.2).
Darauf aufbauend werden in Kapitel 2.3 Messungen auf Basis elektromechanischer Impedanzspektren in ihren Grundzügen vorgestellt. Dabei wird insbesondere darauf eingegangen, was elektromechanische Impedanzspektren sind, wie diese entstehen und was für die Messung von elektromechanischen Impedanzspektren benötigt wird. Dieser Teil des Berichtes richtet sich insbesondere an Leser, welche bis dahin noch keine oder nur wenig Berührung mit elektromechanischen Impedanzspektren hatten. Weiterhin wird anhand einer exemplarischen Darstellung eines mit Messtechnik ausgestatteten M16x50 Probekörpers ein kurzer Überblick über die im Projekt verwendeten Probekörper gegeben. Anschließend wird in Bezug auf den vorliegenden Anwendungsfall anhand von beispielhaften FE-Berechnungen auf die Faktoren eingegangen, welche für die Messung von elektromechanischen Impedanzspektren von Bedeutung sind; die Einflüsse von Vorspannkraft, Temperatur, Sensorschaden und Klebschicht auf die elektromechanischen Impedanzspektren werden hierzu erläutert.
Darauf aufbauend werden in Kapitel 0 die (physikalischen) Hintergründe zur Messung von elektromechanischer Impedanzspektren vorgestellt. Hierbei werden die Zusammenhänge zwischen der Bildung von elektromechanischen Impedanzspektren und den Einflüssen Vorspannkraft, Temperatur und Sensorschaden im Detail erläutert, welche im vorangegangenen Kapitel 2.3 bereits vorgestellt wurden. Durch die Herleitung von Kausalitäten kann so gezeigt werden, in welchen Parameterbereichen die Einflüsse aus Vorspannkraft, Temperatur, Sensorschaden und Klebschicht auf die Impedanzspektren Gültigkeit besitzen.
Kapitel 2.5 erläutert die statistische Auswertung der generierten Daten nach Military Handbook 1823. Dabei wird primär auf das Vorgehen und das Ziel der statistischen Auswertung eingegangen und die Wahl der Methode für die Auswertung dargestellt.
Kapitel 3 erläutert zunächst die Grundlagen der experimentellen Untersuchungen (Kap. 3.1) und darauf aufbauend die Ergebnisse der Voruntersuchungen (Kap. 3.2). Auf Basis der Voruntersuchungen wurden die Spektren festgelegt, welche zur Auswertung von Vorspannkraft, Temperatur und Sensorschaden verwendet werden. Anschließend werden die Serienmessungen vorgestellt und ausgewertet (Kap. 3.3). So wird zunächst gezeigt, wie ein Vorspannkraftverlust und dessen Größe auf Basis der ausgewerteten Messungen bei konstanter Temperatur sicher erkannt werden kann.
Die Kompensation des Temperatureinflusses wird in Kapitel 3.4 vorgenommen. Abschließend wird auf Basis einer statistischen Auswertung gezeigt, in welcher Größenordnung sich die Vorspannkraftverluste bewegen, die sich in mindestens 90 % der Fälle mit einer Konfidenz von 95 % erkennen lassen.
In Kapitel 3.5 werden die Versuche zur Detektion von Schäden in der Messkette vorgestellt und ein Verfahren entwickelt, welches die Detektion von typischen Schäden ermöglicht. Die zusätzlich durchgeführten Versuche an HV-Schrauben M72x380 werden kurz in Kapitel 3.6 vorgestellt. Anschließend werden in Kapitel 3.7 die Ergebnisse aus den durchgeführten Ultraschallmessungen diskutiert.
Veröffentlichung:
Februar 2022
Autoren:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. D. Pak, Dr.-Ing. D. Sahm, Univ.-Prof. Dr.-Ing. C.-P. Fritzen, A.-L. Dreisbach, M.Sc
