Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Detektion von Vorspannkraftverlusten in Schrauben auf Basis elektromechanischer Impedanzspektren

Die Betriebssicherheit planmäßig vorgespannter HV-Verbindungen wird maßgeblich von der Höhe der Vorspannkraft beeinflusst; jedoch gelingt das Erzeugen und Erhalten der erforderlichen Vorspannkraft nicht immer hinreichend. Das wissenschaftliche Forschungsziel ist daher die Entwicklung eines statistisch abgesicherten Verfahrens zur dauerhaften Vorspannkraftüberwachung an Schrauben auf Grundlage elektromechanischer Impedanzspektren (EMI) sowie Guided Wave-Messungen (GW). Die EMI-Methode beruht auf der Messung der mechanischen Impedanz der Schraube, welche den Widerstand beschreibt, den diese den einwirkenden Kräften entgegensetzt, und welche stark über die Frequenz variiert. Ein Piezo-Element regt die Schraube im kHz-Bereich in einem breiten Frequenzband an und misst gleichzeitig die Antwort der Struktur. Die Auswertung im Frequenzbereich weist eine signifikante Änderung der charakteristischen lokalen Peaks bei abnehmender Schraubenkraft auf. Die Piezo-Elemente werden auch beim GW-Verfahren verwendet, welches auf einer Messung des Ultraschall-Laufzeitverhaltens beruht.

Im Rahmen des Projektes werden HV-Schraubensätze M16 und M20 unter verschiedenen Vorspanngraden und Temperaturen (20°C-70°C) untersucht. Die Versuche werden statistisch ausgewertet um so Vorspannkraft-Verlustindikatoren zu ermitteln. Zur Übertragbarkeit auf größere Abmessungen werden ergänzend Versuche an Schrauben M72 durchgeführt; die Versuchsmatrix wird durch FE-Untersuchungen erweitert. Auch wird ein Verfahren angewandt, welches Schäden am Sensor selbst sicher erkennt. Abschließend wird ein Leitfaden erstellt, welcher die Grundlagen der Schraubenkraftmessung auf EMI / GW-Basis vorstellt sowie die Durchführung und Auswertung der Messungen unter Berücksichtigung des Temperatureinflusses bei gleichzeitiger Sensorüberwachung erläutert.

Das Verfahren ermöglicht KMU die Entwicklung und Bereitstellung von Schrauben mit integriertem Sensor und darauf aufbauenden Messsystemen für Labor- und Feldanwendungen.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsprojekt „Detektion von Vorspannkraftverlusten in Schrauben auf Basis elektromechanischer Impedanzspektren“ konnte zeigen, dass die Detektion von Vorspannkraftverlusten in Schrauben mit Hilfe von elektromechanischen Impedanzspektren möglich ist. Im Rahmen des Projektes wurden dafür experimentelle Versuche in unterschiedlichen Temperaturbereichen sowie numerische Simulationen durchgeführt, um die Anwendbarkeit der Messmethode auf den vorliegenden Anwendungsfall zu überprüfen. In der Projektlaufzeit konnten 4 HV-Garnituren nach EN 14399 experimentell sowie numerisch untersucht werden. Die Schrauben unterschieden sich sowohl in ihrer Länge (50 mm, 65 mm, 80 mm und 95 mm), als auch in ihrem Querschnitt (M16, M20). Dadurch konnte das Verhalten der Impedanzspektren bei unterschiedlichen (geometrischen) Bedingungen / Temperaturen untersucht werden. Für jede HV-Reihe wurden 4 Probekörper angefertigt, wodurch sich insgesamt 16 HV-Garnituren ergaben.

Innerhalb des Projektes konnte auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse ein statistisch abgesichertes Verfahren nach Military Handbook 1823 entwickelt werden, welches in der Lage ist, Vorspannkraftverluste in HV-Garnituren auch bei unterschiedlichen Proben- und Umgebungsbedingungen sicher und zuverlässig zu überwachen. Das Verfahren ist unabhängig von der Proben- und Umgebungstemperatur; darüber hinaus ist es in der Lage, Fehler innerhalb des Messsystems zu erkennen. Die Ergebnisse aus den experimentellen sowie numerischen Untersuchungen zeigen die Anwendbarkeit der Messmethode zur Messung von Vorspannkraftverlusten in HV-Garnituren, wodurch sich ein breiter Anwendungsbereich eröffnet. Die Methode kann beispielsweise für Dauermessungen an Ringflanschverbindungen von Windenergieanlagen eingesetzt werden.

Weiterhin wurde auf Basis der im Projekt erzielten Ergebnisse ein neuer Antrag eingereicht, um die Messmethode auf die Problemstellung der Ermüdungsrissdetektion zu transferieren.