Bemessung eines Regelventils für einen Staudamm in Avignon, Frankreich

Das Projekt beinhaltete den Nachweis der Verformung, der maximalen Spannungen und des Ermüdungsverhaltens der Materialien der Rotationsachse eines Regelventils eines hydraulischen Staudamms in der Region Provence-Alpes-Côte d’Azur (PACA).

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Drehzapfen aus legiertem Stahl

Ein Regelventil dient dazu, den Wasserfluss zwischen dem hohen und dem niedrigen Niveau des Staudamms zu regulieren, indem Wasser aus dem Staubecken abgelassen wird. Hier wurde eine schwere Metallkonstruktion aus einem Stück eingesetzt.

Das komplette Ventil wurde zunächst in 3D vom Unternehmen Moscatelli entworfen, das die Drehzapfen-Datei im STEP-Format an AGICEA, einen Dlubal-Kunden, schickte.

Technische Details und Ermittlung der Schubbelastung

Jeder Drehzapfen besteht aus einem Gabelkopf (maschinengeschweißte Baugruppe), in dem Führungslager aus einer gemischten gesinterten Bronze-Graphit-Legierung untergebracht sind. Diese Lager ermöglichen es, eine Achse mit einem Durchmesser von 200 mm (durchgehend rund) ohne zusätzliche Schmierung zu drehen. Die Baugruppe besteht aus einer Edelstahllegierung mit hohen mechanischen Eigenschaften (hohe Elastizitäts- und Bruchgrenzen).

Für den Drehzapfen musste die auf seine Mittelachse aufzubringende hydraulische Drucklast ermittelt werden.

Eine Last von 126 t entsprechend der an einem der beiden Dreharme erzeugten hydraulischen Schubkraft wurde dann in der FEM-Statiksoftware RFEM aufgebracht. Die Last wurde in eine über die halbe Fläche der Achse verteilte Flächenkraft umgerechnet. Die insgesamt ermittelte Flächenschubkraft beträgt 13960 kN/m².

Nachweis der Verformungen

Nach der Modellierung der mechanischen Baugruppe als Volumenkörper (finite Elemente in 3D) begann AGICEA mit der Überprüfung der Gesamtverformungen jeder Untergruppe:
• Lager aus Bronze und Graphit
• Mittelachse mit einem Durchmesser von 200 mm
• Gabelkopf

Anschließend wurden die Vergleichsspannungen (Von Mises) analysiert, um unerwünschte Spannungssspitzen zu vermeiden. Diese Werte wurden mit den im Hinblick auf die zulässigen Materialgrenzen empfohlenen Werten verglichen.

Ermüdungsnachweise

Es wurden Ermüdungsnachweise nach EN 1993-1-9 durchgeführt. AGICEA hat ein Makro entwickelt, mit dem die maximalen Spannungen (Vergleichs-, Zug- und Schubspannungen) von Stellen untersucht werden können, die potenziell rissgefährdet sind. Der gesamte Zapfen wurde auf Grundlage von 438000 Zyklen bemessen, was einer Bewegung pro Stunde das ganze Jahr hindurch über einen Zeitraum von 50 Jahren entspricht.