Lasteinleitung in Wägezellen - Tipps für Anwender

Präzise Messergebnisse beim Verwiegen setzen eine korrekte Lasteinleitung in die Wägezellen voraus. Ob Belastungsrichtung, Unterbau oder Einbauhilfen - die Lasteinleitung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst.

Den Lasteinleitungsstellen an den Wägezellen, sowohl den Kontaktstellen zwischen Wägezelle und zu wiegender Last als auch zwischen Wägezelle und deren Auflagefläche, ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Lastkomponenten, die nicht in der vorgegebenen Messrichtung der Wägezelle wirken, verfälschen das Messergebnis und können auch die Lebensdauer der Wägezelle verkürzen.

Wägezellen sollten nur in der vorgeschriebenen Belastungsrichtung verwendet werden. Diese Belastungsrichtung ist auf vielen HBM-Wägezellen mit einem Pfeil gekennzeichnet. Bei einigen Wägezellen (z.B. Z6, Z7, HLC) ist bei Einhaltung dieser Belastungsachse bei nichteichfähigen Wägeanordnungen auch eine +/- -Belastung möglich.

Seitenkräfte sowie Biege- oder Torsionsmomente sind weitestgehend zu vermeiden. Die folgende Abbildung stellt neben der korrekten Wägezellenbelastung (a) auch ausgewählte Beispiele von Fehlbelastungen schematisch dar.

Korrekte Belastung und Beispiele von Fehlbelastungen von Wägezellen

Unterbau von Wägezellenanordnungen

Wägezellen für Druckbelastungen müssen mit ihren Böden auf ebenen belastbaren Unterlagen aufsitzen, ohne dass sich die Unterlage bei Belastung verformt. Um einen gleichmäßigen Lastübergang vom Wägezellenboden auf den Unterbau sicherzustellen, ist die Wägezelle auf einer biegesteifen Unterlegplatte zu befestigen. Das ist zum Beispiel dann dringend erforderlich, wenn die Wägezellen auf Profilträgern stehen, deren Stützkräfte hauptsächlich durch die Gurte aufgenommen werden. Der Unterbau der Wägezellen muss die der Belastung entsprechenden Stützkräfte aufbringen können.

Der Unterbau kann sich unter Lasteinwirkung unter Umständen sehr stark verformen, obwohl die Standsicherheit durchaus gewährleistet ist.

Aufgrund dieser Verformungen kann es parallel zur Absenkung der Auflager kommen. Wenn sich die Auflager tatsächlich absenken, dann sollte diese Absenkung für alle Auflager gleich groß sein, um Schiefstellungen, und damit Änderungen der proportionalen Lastaufteilung und Querkräfte zu vermeiden.

Grundsätzlich ist für den Unterbau eine steife Konstruktion besser geeignet als eine weiche. Bei einer weichen Konstruktion lässt sich eine gleichmäßige Absenkung aller Lager nur sehr schwer erzielen und es können zusätzlich Verspannungen der Gesamtkonstruktion auftreten.

Falscher Unterbau von Wägezellen

Einbauhilfen für Wägezellen

Beim Verwiegen von Behältern oder Überwachen von Füllständen müssen Temperaturdehnungen und damit verbundene Horizontalbewegungen sowohl am Behälter als auch am Unterbau berücksichtigt werden. Ein starrer Einbau behindert diese Bewegungen und bewirkt letztlich Horizontalkräfte, die häufig groß genug sind, das Messergebnis zu verfälschen. Bei solchen Einwirkungen werden die Wägezellen mitunter mechanisch geschädigt oder sogar zerstört. Ähnliche Folgen können Lasteinleitungen nach sich ziehen, die von Torsionsmomenten und Seitenkraftkomponenten überlagert sind. Das können beispielsweise außermittige Belastungen oder schräg eingeleitete Kräfte sein. Daher sind Einbauformen zu wählen, die Horizontalkräfte aus Temperaturdehnungen oder anderen Quellen berücksichtigen oder besser fernhalten.

Die für diesen Zweck beschriebenen Elemente bieten in Abhängigkeit von der Behälterform eine jeweils individuelle Problemlösung. Einbauhilfen unterstützen die Einhaltung der Einbaurichtlinien für Wägezellen. Die Schwerpunkte zur Beseitigung von Störgrößen sind außerordentlich vielfältig und erfordern eine jeweils anwendungsspezifische Maßnahme. Doch letzten Endes entscheidet der Konstrukteur mit detaillierten Produktkenntnissen über die Gewichtung einzelner Störgrößen. Somit ergeben sich für unterschiedliche Bauformen von Wägezellen nicht nur ein breites Spektrum an Möglichkeiten der Lasteinleitung, sondern auch vielfältige Auswahlvariationen von Einbauhilfen.

Elastomerlager

Mehrere übereinander angeordnete Stahlplatten und Gummischichten, die durch Vulkanisieren miteinander verbunden sind, kennzeichnen die typischen Elastomerlager. Mit geringem Kraftaufwand lassen sich sowohl die obere als auch die untere Lasteinleitungsfläche parallel gegeneinander verschieben. So kann die oberste Lagerplatte bei auftretender Seitenkraft ausweichen, ohne eine zusätzliche Gewichtskrafteinwirkung an die untere Platte der Wägezelle weiterzugeben. Damit lassen sich horizontale Auslenkungen zwischen Behälter und Wägezellen bis zu maximal 15 mm erzielen. Diese Auslenkung wird durch das Elastomerlager zugelassen, bedingt jedoch spürbare Einbußen in der Wägegenauigkeit bei deren vollständiger Ausnutzung.

Gleichzeitig entwickeln sich beim Auslenken Rückstellkräfte, die den Behälter wieder in seine Ausgangsposition zurückbringen. Diese Kraft wirkt lastunabhängig proportional zur Auslenkung. Je nach Typ des Elastomerlagers wirkt sie mit bis zu 800 N. Auch bis zu 1,7° schräg stehende Behälter gleicht das Lager aus.

Besonders bei schockartigen Belastungen, Schwingungen sowie sonstigen von außen einwirkenden Vibrationen, hat sich die dämpfende Wirkung des Elastomerlagers als vorteilhaft erwiesen. Darüber hinaus wirken Elastomerlager auf Grund ihrer Bauweise wärmeisolierend, denn der Schichtenaufbau minimiert die unerwünschte Wärmeleitung zwischen Behälter und Wägezelle.
Zur Begrenzung der seitlichen Auslenkung sind lediglich Endanschläge vorzusehen. Auf Anlenkelemente kann dabei verzichtet werden.

Vorsicht
Beim Anrohren der zu verwiegenden Behälter wird das Elastomerlager unter Nennlast circa 1 mm gestaucht. Das ist deutlich mehr als der eigentliche Messweg der Wägezelle selbst und kann bei Nichtberücksichtigung zu groben Messfehlern führen.

Trotz Verzichts auf eine konventionelle Lenkerfesselung sind insbesondere bei ungünstiger Schwerpunktlage Vorkehrungen zur Behälterfixierung zu treffen. Im Bereich der Behälterverwiegung bedeuten Elastomerlager kostengünstige und konstruktiv einfach anzuwendende Bauelemente, die niedrigen bis mittleren Genauigkeitsansprüchen genügen.

ZEL-Element und seine Freiheitsgrade bei der Lastaufnahme

Pendelwägezelle

Wägezelle C16 (schematisch) mit Freiheitsgraden

Selbstzentrierende Pendelwägezelle

Hierbei handelt es sich um Wägezellen, die Aufbaukonstruktionen bei seitlicher Verschiebung der Lasteinleitung (Schiefstellung) selbständig in die Ausgangslage zurückführen. Dabei wird der aus der Physik bekannte Zustand des stabilen Gleichgewichtes ausgenutzt. Die Wägezelle als Pendelkörper besitzt Lasteinleitungsflächen, deren Krümmungsradien in der Summe größer sind als die Höhe der Wägezelle. Eine Auslenkung führt dann zur Anhebung der Last, was die Selbstrückstellung zur Folge hat.

Die maximal zulässige im Datenblatt angegebene Auslenkung – zum Beispiel bei Typ C16/40t maximal 13 mm / 5° – darf auf keinen Fall überschritten werden; denn bei Überbeanspruchung drohen Beschädigungen an den Wägezellen oder Lasteinleitungen. Das Problem ist mit einstellbaren passenden Anschlägen an der Aufbaukonstruktion einfach zu lösen. Eine zusätzliche Anordnung von Lenkern ist jedoch auch in dieser Einbausituation häufig unumgänglich.
Zum kostengünstigen und mühelosen Einbau genügen je ein HBM Druckstück für oben und unten. Unzulässige Drehbewegungen um die eigene Achse verhindert eine Verdrehsicherung.

Die selbstzentrierende HBM Wägezelle C16 steht zurzeit als Pendelwägezelle mit Nennlasten von 20 t bis 200 t zur Verfügung. Sie werden mittleren bis hohen Genauigkeitsanforderungen gerecht.

Pendellager und Pendelstütze

Mit Pendellager und Pendelstützen erzielen Standardwägezellen in “Beamform” und C-Typ-Form ähnliche Eigenschaften wie selbstzentrierende Wägezellen. Auf diese Weise wird der Aufbau von Behälterwaagen mit hohen Genauigkeitsansprüchen möglich. Durch die Bauform der Einbauteile der Pendellagerung wird ein Auslenken von etwa 3° ohne wesentliche Messfehler erreicht. Horizontale Verschiebungen der Auflagerpunkte sind damit in Grenzen möglich. Während Pendellager ZPL sich meist aus zwei Druckstücken und einem Zylinderstück zusammensetzen, erfüllen dagegen bei der Pendelstütze ZPS nur je ein Zylinderstück und ein EPO3 Druckstück die gewünschte Funktion.

Beim Auslenken der Pendellagerung wird die Last gegenüber der Ausgangslage geringfügig angehoben. Dadurch entsteht eine Rückstellkraft, die das System in die Ausgangslage zurückversetzt. Pendellager und Pendelstütze können somit als selbstzentrierend angesehen werden. Beim Montieren erweisen sie sich als einfach zu handhabende Einbauhilfen. Seitliche Lenker zur Fesselung einer Plattform sind nicht erforderlich. Jedoch empfiehlt es sich, die seitliche Auslenkung durch Endanschläge zu begrenzen. Bei Behältern mit Rührwerken ist eine Lenkerfesselung stets vorzusehen. Wie bereits beim Einsatz von Elastomerlagern muss der Behälter aus sicherheitstechnischen Gründen zusätzlich gegen Abheben oder Umstürzen gesichert werden.

C2A mit ZPS Z7 mit ZPL

Lastfuß

Speziell für Wägezellen der HBM-Baureihe HLC in Verbindung mit dem Aufbau von Plattformwaagen bietet sich die Anwendung eines Lastfußes an. Die Lasteinleitung erfolgt über einen sogenannten Rocker Pin. Die Beweglichkeit dieses Pin gestattet die Ausgleichsbewegungen in Folge von unterschiedlichen Belastungszuständen und Temperaturänderungen der Waage. Die Lasteinleitung ist höhenverstellbar und erlaubt somit eine einfache und effektive Höhenjustage der Plattform bei deren Montage. Es sind keine weiteren Fesselungs- bzw. Montageelemente notwendig. Lastfüße gestatten eine sehr flache, einfache Konstruktion einer solchen Plattformwaage. Häufig werden solche Systeme aufgrund der beschriebenen Eigenschaften für sich ändernde Aufstellorte der Waage angewendet.

HBM-Wägezellen HLC mit montierten Lastfüßen ZFP

Konstruktive Zusatzkomponenten

Kegelspitze und KegelpfanneZ6 mit ZK

Dem traditionellen Waagenbau gelang es mit mechanischen Waagen höchste Präzision zu erreichen. Mit den Einbauhilfen “Messer und Schneide” für Hybridwaagen sowie “Kegelspitze” und “Kegelpfanne” kann für einzelne Wägezellen an diese bewährte Funktion angeknüpft werden.

Diese Einbauhilfen sind insbesondere für wägetechnische Applikationen mit erhöhten Genauigkeits-anforderungen und im eichfähigen Bereich vorgesehen. Dynamische Belastungen oder Vibrationen stehen von vornherein in Widerspruch zu dieser Anwendung.

KraftrückführungenZ6 mit ZRR

Kraftrückführungen werden zusammen mit Wägezellen in Doppelbiegebalkenform eingesetzt und ermöglichen die momentenfreie Belastung mit Zug- oder Druckkräften in ihrer Wirklinie. Die Einsatzmöglichkeiten beschränken sich in der Regel auf Anwendungen mit nur einer Wägezelle innerhalb einer Plattform oder bei einer hängenden Last zusammen mit beidseitig angebrachten Gelenkösen.

GelenkösenRSC mit ZGW

Gelenkösen eignen sich für den Einsatz bei quasistatischer Zugbelastung (Lastwechsel = 10Hz). Der weitere Anschluss erfolgt in der Regel über Gabelstücke. Bei dynamischer Belastung mit höherer Frequenz sollten biegeweiche Zugstäbe eingesetzt werden. Die Tabelle in Abbildung 4-10 soll es dem Anwender vereinfachen, für die entsprechende Wägezelle die dazugehörigen und verfügbaren Einbauhilfen sowie Zubehörkomponenten auszuwählen. Es ist empfehlenswert, sich in den neuesten HBM-Produktinformationen über weitere neue Komponenten aktuell zu informieren.

Fest- und Kipplager

Werden nicht alle Behälterpratzen auf Wägezellen gestellt, so kommen stattdessen entweder Fest- oder Kipplager zum Einsatz. Beim Einsatz eines Festlagers kann zum Teil auf fertige Bauelemente zurückgegriffen werden. Das Bild zeigt das von HBM gelieferte Festlager, das aus einem mit Streben versehenen Doppel-T-Träger besteht. Durch die Streben entsteht eine definierte Biegezone. Das Festlager fesselt den Behälter auch in horizontaler Richtung, wodurch auf Anlenkelemente verzichtet werden kann. Zu beachten ist, dass durch den Messweg der Wägezelle das Festlager in seiner Biegezone geringfügig gebogen wird, was eine Verfälschung des Messsignals nach sich zieht. Diese Verfälschung lässt sich jedoch durch die Justierung mit definierten Massen erheblich reduzieren.

HBM Einbauhilfen und Zubehörübersicht


HBM-Festlager

Bei Kipplagern tritt die beschriebene Verfälschung des Messsignals praktisch nicht auf, da hier statt einer Biegebeanspruchung (⇒) lediglich eine geringe Rollreibung zu verzeichnen ist. Allerdings ist die horizontale Fesselung des Kipplagers wesentlich geringer als bei Festlagern, sodass je nach Einsatzfall trotzdem Anlenkelemente notwendig sind. In der Praxis haben sich weichelastische Abdeckungen der Kipplager bewährt, um Verschmutzungen und eine damit verbundene mögliche Einbuße der Kippfunktion zu vermeiden.

Fest- und Kipplager sind nur dann empfehlenswert, wenn keine hohen Genauigkeitsansprüche gefordert werden, und wenn sich der Schwerpunkt im Behälter nur horizontal in seiner Lage ändert. Dies ist vornehmlich bei Flüssigkeiten bzw. rieselfähigen Medien gegeben.



Beispiel Kipplager

Behälterfesselung

Anschläge

Beim Aufbau einer Behälterwaage ruht die Konstruktion auf Wägezellen, die entweder durch entsprechende Einbauhilfen Verschiebungen zulassen oder selbst verschiebbar sind. Die Einbauhilfen wirken je nach ihrem mechanischen Prinzip zum Teil selbstzentrierend oder rückstellend. Dies würde lediglich einen mechanischen Anschlag im Abstand der maximal zulässigen seitlichen Verschiebung notwendig machen. Bewährt haben sich hier zum Beispiel Winkelanschläge oder auch Gummipuffer.

Anschläge

Abhebesicherungen

Liegt der Behälterschwerpunkt oberhalb der Auflagerpunkte, und sind gleichzeitig Windeinflüsse oder andere äußere Krafteinflüsse nicht auszuschließen, so muss der Behälter auch gegen Kippen oder Abheben gesichert werden.

Dies kann durch Anschläge in einer zweiten Ebene erfolgen oder aber durch eine spezielle Abhebesicherung. Eine Abhebesicherung lässt sich zum Beispiel durch in der Nähe der Auflagerpunkte vertikal eingesetzte Gewindestangen realisieren. Behälterseitig wird die Gewindestange berührungsfrei durch eine Bohrung in der Pratze geführt. Der maximale Abstand zwischen Unterbau und Behälterpratze wird dann durch eine auf der Gewindestange befindliche Mutter vorgegeben. Durch die Größe der Bohrung in der Behälterpratze lässt sich im Übrigen auch die maximale seitliche Verschiebung begrenzen.

Anti-liftoff device

Abhebesicherung

Lenker

Beim Einsatz von nicht rückstellend wirkenden Lagern empfiehlt sich der Einsatz von Lenkern zur Behälterfesselung. Die Lenker müssen so dimensioniert und ausgerichtet sein, dass sie die von außen angreifenden Kräfte aufnehmen, jedoch der Bewegung des Behälters in Messrichtung nur möglichst geringe Kräfte entgegensetzen.

Als Lenker haben sich folgende Formen bewährt:

  • Spannseile:
    Sie übertragen keine Kräfte in vertikaler Richtung und vermeiden somit sehr gut unerwünschte Kraftnebenschlüsse.

Spannseil

  • Rundstablenker:
    Sie werden in Längsrichtung durch Horizontalkräfte auf Zug beansprucht.
    Es müssen deshalb für eine vollständige Fesselung jeweils zwei Lenker in einer Achse verwendet werden.

Rundstablenker

  • Flachstablenker:
    Im Flachstablenker bewirkt die aufzunehmende horizontale Verschiebung eine Längskraft. Eine vertikale Auslenkung verursacht eine Biegung, die zu einem Kraftnebenschluss führt. Da der Flachstab jedoch in seiner biegeweichen Richtung gebogen wird, sind die Einflüsse auch bei Verwindung von großen Querschnitten und bei beidseitiger Einspannung relativ gering. Bei der Justierung sind die auftretenden Kraftnebenschlüsse zu beachten.
    Es ist besonders bei dynamischen Anregungen des Wägesystems empfehlenswert, den Lenker mit symmetrischen Klemm- und Schraubverbindungen (oben und unten) einzuspannen, um die Biegewege bei schwellenden Belastungen identisch zu gestalten.

Flachstablenker

  • Bolzenlenker:
    Der Bolzenlenker führt nur zu sehr geringen Kraftnebenschlüssen in vertikaler Richtung. Allerdings können bereits kleine Verkantungen in den Lenkern Klemmwirkungen und damit Reibungskräfte bewirken, die zu vertikalen Kraftnebenschlüssen führen. Die Montage erfordert deshalb sorgfältige Richtarbeiten. Außerdem muss die Behälterfesselung so vorgenommen werden, dass die auftretenden Verschiebungen nicht zum Verkanten der Bolzenlenker führen können.

Bolzenlenker


  • Rundstablenker mit Gelenkköpfen:
    Rundstablenker mit Gelenkköpfen verhalten sich als Anbauelement prinzipiell wie Bolzenlenker. Aufgrund der allseits drehbaren Gelenklagerung werden jedoch Verkantungen vermieden. Abgesehen von der notwendigen horizontalen Ausrichtung der Lenker bei der Montage, sind diese Rundstablenker mit Gelenkköpfen unempfindlich gegen Fertigungs- und Installationstoleranzen der Behälterkonstruktion.
    Um die Gefahr des Festsetzens der Gelenke zu vermeiden, sind die Gelenkköpfe beim Außeneinsatz zu schützen.
    In der endgültigen Einbausituation sollten die Gelenkköpfe (im Gegensatz zur Darstellung unten) um 90° zu einander versetzt in die Konstruktion integriert werden.

Rundstablenker mit Gelenkköpfen

 

Behälterfesselung

Anschläge

Beim Aufbau einer Behälterwaage ruht die Konstruktion auf Wägezellen, die entweder durch entsprechende Einbauhilfen Verschiebungen zulassen oder selbst verschiebbar sind. Die Einbauhilfen wirken je nach ihrem mechanischen Prinzip zum Teil selbstzentrierend oder rückstellend. Dies würde lediglich einen mechanischen Anschlag im Abstand der maximal zulässigen seitlichen Verschiebung notwendig machen. Bewährt haben sich hier zum Beispiel Winkelanschläge oder auch Gummipuffer.

Anschläge

Abhebesicherungen

Liegt der Behälterschwerpunkt oberhalb der Auflagerpunkte, und sind gleichzeitig Windeinflüsse oder andere äußere Krafteinflüsse nicht auszuschließen, so muss der Behälter auch gegen Kippen oder Abheben gesichert werden.

Dies kann durch Anschläge in einer zweiten Ebene erfolgen oder aber durch eine spezielle Abhebesicherung. Eine Abhebesicherung lässt sich zum Beispiel durch in der Nähe der Auflagerpunkte vertikal eingesetzte Gewindestangen realisieren. Behälterseitig wird die Gewindestange berührungsfrei durch eine Bohrung in der Pratze geführt. Der maximale Abstand zwischen Unterbau und Behälterpratze wird dann durch eine auf der Gewindestange befindliche Mutter vorgegeben. Durch die Größe der Bohrung in der Behälterpratze lässt sich im Übrigen auch die maximale seitliche Verschiebung begrenzen.

Anti-liftoff device

Abhebesicherung

Lenker

Beim Einsatz von nicht rückstellend wirkenden Lagern empfiehlt sich der Einsatz von Lenkern zur Behälterfesselung. Die Lenker müssen so dimensioniert und ausgerichtet sein, dass sie die von außen angreifenden Kräfte aufnehmen, jedoch der Bewegung des Behälters in Messrichtung nur möglichst geringe Kräfte entgegensetzen.

Als Lenker haben sich folgende Formen bewährt:

  • Spannseile:
    Sie übertragen keine Kräfte in vertikaler Richtung und vermeiden somit sehr gut unerwünschte Kraftnebenschlüsse.

Spannseil

  • Rundstablenker:
    Sie werden in Längsrichtung durch Horizontalkräfte auf Zug beansprucht.
    Es müssen deshalb für eine vollständige Fesselung jeweils zwei Lenker in einer Achse verwendet werden.

Rundstablenker

  • Flachstablenker:
    Im Flachstablenker bewirkt die aufzunehmende horizontale Verschiebung eine Längskraft. Eine vertikale Auslenkung verursacht eine Biegung, die zu einem Kraftnebenschluss führt. Da der Flachstab jedoch in seiner biegeweichen Richtung gebogen wird, sind die Einflüsse auch bei Verwindung von großen Querschnitten und bei beidseitiger Einspannung relativ gering. Bei der Justierung sind die auftretenden Kraftnebenschlüsse zu beachten.
    Es ist besonders bei dynamischen Anregungen des Wägesystems empfehlenswert, den Lenker mit symmetrischen Klemm- und Schraubverbindungen (oben und unten) einzuspannen, um die Biegewege bei schwellenden Belastungen identisch zu gestalten.

Flachstablenker

  • Bolzenlenker:
    Der Bolzenlenker führt nur zu sehr geringen Kraftnebenschlüssen in vertikaler Richtung. Allerdings können bereits kleine Verkantungen in den Lenkern Klemmwirkungen und damit Reibungskräfte bewirken, die zu vertikalen Kraftnebenschlüssen führen. Die Montage erfordert deshalb sorgfältige Richtarbeiten. Außerdem muss die Behälterfesselung so vorgenommen werden, dass die auftretenden Verschiebungen nicht zum Verkanten der Bolzenlenker führen können.

Bolzenlenker


  • Rundstablenker mit Gelenkköpfen:
    Rundstablenker mit Gelenkköpfen verhalten sich als Anbauelement prinzipiell wie Bolzenlenker. Aufgrund der allseits drehbaren Gelenklagerung werden jedoch Verkantungen vermieden. Abgesehen von der notwendigen horizontalen Ausrichtung der Lenker bei der Montage, sind diese Rundstablenker mit Gelenkköpfen unempfindlich gegen Fertigungs- und Installationstoleranzen der Behälterkonstruktion.
    Um die Gefahr des Festsetzens der Gelenke zu vermeiden, sind die Gelenkköpfe beim Außeneinsatz zu schützen.
    In der endgültigen Einbausituation sollten die Gelenkköpfe (im Gegensatz zur Darstellung unten) um 90° zu einander versetzt in die Konstruktion integriert werden.

Rundstablenker mit Gelenkköpfen

 

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