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Reibungsversuchsstand

Hochtemperatur Hochdruck Tribometer

Für die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Fachbereich 9.5 Tribologie und Verschleißschutz wurde ein tribologischer Wasserstoff-Hochdruck-Messstand überarbeitet. Der Prüfstand dient der Charakterisierung eines Reibkontakts unter reversierender Last.

Versuchsaufbau

Das Tribometer ist für die folgenden Bedingungen ausgelegt:

  • erhöhte Temperatur bis 140 °C
  • erhöhter Druck bis 100 bar
  • maximale Frequenz des Reibkontakts: 50 Hz
  • maximale Reibkraft für Auslegung: 20 N
  • maximale Normalkraft: 20 N
Schwingtisch hochdruck Tribometer
Schwingtisch mit Verkabelung und Voice-Coil-Antrieb für das hochdruck Tribometer in Wasserstoff-Atmosphäre bis 100 bar

Hauptsächlich wurden Änderungen am Reibantrieb und des Normalkraftantriebs durchgeführt. Für den Reibantrieb wurde der vormals ein Exzenterantrieb verwendet. Dieser wurde durch einen Voice-Coil-Antrieb ersetzt. Dieser Antrieb wurde speziell nach den Anforderungen durch Konstruktiv entwickelt. Aufgrund der Sicherheitsvorschriften ist der Druckbehälter in dem die Versuche durchgeführt werden in der Größe beschränkt. Der gesamte Versuchsaufbau muss aber in den Druckbehälter passen. Daher mussten nicht nur die verwendeten Materialien den anspruchsvollen Umgebungsbedingungen entsprechen sondern auch die Konstruktion speziell für die engen Platzverhältnis abgestimmt werden.

Der Voice-Coil-Antrieb für den Betrieb in Hochdruck und Hochtemperatur-Wasserstoffatmosphäre wurde entwickelt, ausgelegt und für Experimente aufgebaut. Durch die Verwendung von SmCo-Magneten sowie Wicklungsdraht mit Keramikbeschichtung ist der Aufbau im Vergleich mit handelsüblichen Voice-Coil-Motoren sehr Temperaturstabil und wasserstoffbeständig: Unter Berücksichtigung einer Temperaturerhöhung der Wicklung um 100 K gegenüber der Umgebung (Normaldruck und Luft) während des Betriebes erreichen wir eine Temperaturstabilität bis etwa 250 °C Umgebungstemperatur.

Gehäuse Voice-Coil-Antrieb
Gehäuse für Voice-Coil-Steuerung

Der Nenndauerstrom der Wicklung beträgt etwa 1,5 Ampere. Bei einem magnetischen Fluss von etwa 0,65 Tesla im Luftspalt ergibt sich bei der gewählten Geometrie eine statische Kraft von etwa 12 Newton. Für den Teststand werden zwei solcher Einheiten in Back-to-Back-Konfiguration eingesetzt und erreichen somit eine statische Kraft von etwa 24 N.

Für den Normalkraftantrieb wurde ein Spindelantrieb anstelle eines Zugmagneten verwendet. Der Antrieb enthält einen geeigneten DC-Getriebemotor, Trapezgewindespindel, PEEK Spindelmutter und eine Feder. Durch die Spannung der Feder mittels Bewegung der Spindelmutter kann eine steuerbare Normalkraft aufgebracht werden.

Frästeile wurden bei Konstruktiv gefertigt. Blechteile wurden extern bezogen. Schweißarbeiten wurden bei Konstruktiv durchgeführt, insbesondere für den Schwingtisch aus Aluminium aber auch für die Halterungen der Magnete aus Stahl bzw. Edelstahl.

Kernlöcher für die M3 Gewinde auf dem Schwingtisch bohren
Spulenhalter für den Voice-Coil-Antrieb fräsen

Dieses Projekt wurde in Kooperation mit Dipl. Ing Johannes Thaten durchgeführt, der für die Messtechnik und die Steuerung zuständig war. Wir haben auch bei diesem Tribometer wieder auf unser bewährtes Konzept aufgebaut, den Analog-Teil der Mess- und Steuerungstechnik auf den vorhanden Komponenten aufzubauen und nur punktuell durch neue Komponenten zu ergänzen. Die Messdatenerfassung erfolgt über eine Messkarte von NI. Die Versuchsvorbereitung, -durchführung und Datenaufbereitung sowie -ablage wird mittels der LabView Software realisiert. Das Grundprinzip der Software ist bei allen Tribometern gleich, sodass für die Benutzer:innen ein einheitliches Bedienkonzept die Bedienung der verschiedenen Tribometer erleichtert.

LabView Software

Die Funktionen des Programms sind in Reitern zusammengefasst, die in einer sinnvollen Reihenfolge aufgerufen werden können.

Tribometer Steuerung LabView Start

Beim Start wird eine Vorbereitungsseite aufgerufen, die grundsätzliche Vorgaben für die Versuchsdurchführung beinhaltet.

Tribometer Steuerung LabView Vorbereitung

Auf Wunsch lassen sich mit der folgenden Registerkarte grundlegende Messfunktionen überprüften. Dazu wird im linken Diagramm die Normalkraft, im rechten Diagramm die Reibkraft dargestellt.

Tribometer Steuerung LabView Parameter

In der dritten Registerkarte werden die spezifischen Parameter des Versuchs eingetragen und gespeichert. Die Parameter sind thematisch in Blöcke zusammengefasst.

Tribometer Steuerung LabView PreRun

Der Reiter „Pre-Run“ dient der Justierung bzw. Überprüfung der Regel- Parameter für den Reibweg und die Normalkraft.

Tribometer Steuerung LabView Messung

Im folgenden Reiter wird die eigentliche Messung durchgeführt. Zunächst regelt sich die Normalkraft auf den vorher festgelegten Wert ein. Mit dem Knopf ’Start Messung’ startet der Generator für den Reibweg und die Messung wird durchgeführt. Alle Daten werden während der Messung in voller Auflösung live protokolliert.

Tribometer Steuerung LabView Speichern

Zum Schluss werden im Reiter „Speichern“ die protokollierten Rohwerte neu eingelesen und hystereseweise ausgewertet. Danach lassen sich die Messwerte in physikalischen Einheiten kalibriert in einem ASCII- File speichern, entweder mit je einem gemittelten Datensatz pro Hysterese oder komplett.