Titel: Fairbairn's Versuche zur Bestimmung der Festigkeit der Locomotivkessel.
Autor: Fairbairn, William
Fundstelle: 1854, Band 131, Nr. IV. (S. 10–15)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj131/ar131004

IV. Versuche zur Bestimmung der Festigkeit der Locomotivkessel und der Ursachen, welche deren Explosion veranlassen; von dem Civilingenieur William Fairbairn.

Aus dem Civil Engineer and Architect's Journal, October 1853, S. 362.

Diese Versuche wurden in Folge der Explosion eines Locomotivkessels in dem Maschinenhause der Nordwest-Bahn zu Manchester unternommen. Die unmittelbare Ursache dieser Explosion war die, daß der Locomotivführer, |11| während er sich mit einem Collegen unterhielt, das Sicherheitsventil festgeschraubt hatte und es in diesem Zustande verließ; 25 Minuten nachdem dieses Festschrauben geschehen war, zersprang der Kessel mit einer fürchterlichen Gewalt, hob einen Theil des Daches von dem Gebäude ab und tödtete mehrere in demselben befindliche Menschen. Der Kessel war in ein vollständiges Wrack verwandelt und es war kaum ein Theil davon unbeschädigt geblieben. Der königl. Inspector, welcher das Wrack des Kessels kurz nach der Explosion untersuchte, berichtete, daß die Steh- oder Spannbolzen des Feuerkastens schadhaft gewesen und daß der Kessel nicht die gehörige Festigkeit gehabt habe, um den gewöhnlichen Dampfdruck, wofür er bestimmt war, auszuhalten. Hr. Fairbairn war aber anderer Meinung und behauptete, daß alle Theile des Kessels stark genug waren um dem sechsfachen Druck von dem gewöhnlich einwirkenden zu widerstehen, und daß der während der 25 Minuten, wo das Ventil niedergeschraubt gewesen, erzeugte Dampf hingereicht haben müsse, um den Druck auf 300 Pfd. per Quadratzoll zu steigern. Der k. Inspector behauptete dagegen, daß die Zeit zu der Hervorbringung eines solchen Drucks nicht ausreichend gewesen sey. In Folge dieser Meinungsverschiedenheit wurde eine Reihe von Versuchen unternommen, um die wirklichen Ursachen der Explosion zu bestimmen und durch deren Veröffentlichung gegen solche Katastrophen zu sichern.

Zuerst machte Hr. Ramsbottom, der Locomotiven-Aufseher einige Versuche mit den Stehbolzen des zersprungenen Kessels, woraus hervorging, daß die Kraft, welche erforderlich ist um die Stehbolzen aus den Platten zu reißen, 340 Pfd. per Quadratzoll betragen durfte. Es wurden nämlich die alten Bolzen in Kupferplatten geschraubt, wie sie zu dem Feuerkasten angewendet worden, die Enden aber nicht vernietet. Hr. Fairbairn hatte diese Versuche sorgfältig wiederholt und fast dieselben Resultate erlangt. Sind nun die Stehbolzen noch vernietet und sonst unschadhaft, so darf man annehmen, daß ein Druck von 450 bis 500 Pfd. per Quadratzoll erforderlich ist, um die Schrauben aus den Platten oder die Stehbolzen aus einander zu reißen. Man muß berücksichtigen, daß der zersprungene Kessel, obgleich erst neuerlich reparirt, doch schon lange im Gebrauch gewesen war, und da die Cylinder nur 13 Zoll Weite hatten, so wurde die Locomotive nur zum Schleppen oder zur Hülfe benutzt, um die Züge durch den Standedge-Tunnel zu führen. Die Bolzen waren 5 bis 5 3/8 Zoll von einander entfernt, während sie jetzt für die Kessel stärker gemacht, näher an einander angebracht werden und Quadrate von 4 bis 4 1/2 Zoll bilden, wodurch der Widerstand so erhöht wird, daß er bis 800 Pfd. per Quadratzoll betragen dürfte.

|12|

Um nun durch wirkliche Versuche die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit der Locomotivkessel kennen zu lernen, übergaben die Directoren der Nordwest-Bahn Hrn. Fairbairn eine Maschine, welche gleichzeitig mit der zersprungenen in der Fabrik der HHrn. Sharp und Roberts zu Manchester angefertigt worden war, und auch ebenso viele Meilen als jene durchlaufen hatte. Uebrigens befand sich die Maschine nicht in demselben Zustande der Reparatur wie die explodirte, indem der Feuerkasten sehr verbogen und die Niete, so wie die Stehbolzen sehr geschwächt waren. Der Kessel wurde dem Druck einer Wasserpresse unterworfen und als derselbe 207 Pfd. per Quadratzoll betrug, zerbrach einer von den Bolzen des Querbalkens über dem Feuerkasten, wodurch die Versuche unterbrochen wurden, indem der Leck so groß wurde, daß mehr Wasser ausströmte, als die Druckpumpe liefern konnte. Es bewies jedoch dieser Versuch vollkommen, daß die Feuerkasten-Stehbolzen – auf deren verhältnißmäßige Schwäche soviel Werth gelegt worden war – nicht die schwächsten Theile eines Locomotivkessels sind, sondern daß mehr von dem Deckel des Ofens zu fürchten ist, welcher bei starkem Dampfdruck fast immer zuerst nachgibt. Hr. Fairbairn bemerkt daher, daß auf diesen Theil des Kessels eine große Sorgfalt verwendet werden müsse, und daß der Querbalken nicht allein eine große Festigkeit haben, sondern daß auch die Bolzen, an denen der Deckel des Feuerkastens hängt, gleich stark seyn müssen, damit keine Ungleichheit existirt, und daß alle Theile einem Druck von 500 Pfd. per Quadratzoll müssen widerstehen können.

Der zunächst durch die Versuche zu bestimmende Punkt war, ob der Dampf des explodirten Kessels, in dem Zeitraum von 25 Minuten, von einem Druck von 60 Pfd., bei welchem er aus dem Sicherheitsventil entwich ehe es festgeschraubt worden war, bis zu einem Druck von 300 Pfd. per Quadratzoll gesteigert werden konnte. Hr. Ramsbottom stellte einige Versuche über diesen Gegenstand an, aus denen hervorging, daß mit dem Ofen unter gewöhnlichen Umständen der Dampf in einem Locomotivkessel in 10 Minuten von einem Druck von 30 Pfd. per Quadratzoll bis zu einem solchen von 80 Pfd. gesteigert werden kann. Hr. Fairbairn wiederholte diese Versuche bis zu einem noch höhern Druck mit nachstehenden Resultaten, indem er um 2 Uhr 44 Minuten anfing:

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Zeit.
Druck
per Quardatzoll.
Mittlere
Temperatur:
Fahrenheit.
2 Uhr 44 Min. 11,75 Pfd. 243,00°
2 – 45 – 14,15 – 247,75
2 – 46 – 16,35 – 251,25
2 – 47 – 19,25 – 255,25
2 – 48 – 22,35 – 259,75
2 – 49 – 25,75 – 264,00
2 – 50 – 28,95 – 268,37
2 – 51 – 32,15 – 273,00
2 – 52 – 35,75 – 277,00
2 – 53 – 39,95 – 282,00
2 – 54 – 44,25 – 286,37
2 – 55 – 48,35 – 291,00
2 – 56 – 52,75 – 295,37
2 – 57 – 57,75 – 300,00
2 – 58 – 63,75 – 304 25
2 – 59 – 68,95 – 308,75
3 – 0 – 75,75 – 313,00
3 – 1 – 80,35 – 317,00
3 – 2 – 87,25 – 322,10
3 – 3 – 93,95 – 326,12
3 – 4 – 101,15 – 331,00
3 – 5 – 108,75 – 335,62
3 – 6 – 111,75 –

Der benutzte Thermometer gab keine höhere Temperatur an.

Man sieht, daß bei diesen Versuchen der Druck in 25 Minuten von 11,75 Pfd. per Quadratzoll bis auf 111,75 Pfd. erhöht wurde. Die Tabelle zeigt, daß der Druck in einem größern Verhältniß gesteigert wurde, als die Temperatur. Bei den ersten Versuchen betrug z.B. die Zunahme des Drucks ungefähr ein Pfund auf zwei Fahrenheit'sche Wärmegrade; bei einer Temperatur von 277° F. verhielten sie sich wie 3 zu 4; bei 317° nahm der Druck ungefähr um ein Pfund für jeden Grad zu, und am Ende der Versuche war das Verhältniß 4° Wärme zu 5 Pfd. Druck. Hr. Fairbairn bemerkt, daß er es für ziemlich gewiß halte, daß wenn die Instrumente auf höhere Temperaturen und höhern Druck eingerichtet gewesen wären, die Erhöhung des Drucks von 60 Pfd. auf 350 oder 400 Pfd. per Quadratzoll in 28 Minuten erreicht worden wäre.

Darauf wurden diejenigen Theile eines Locomotivkessels, welche in den flachen Theilen des Feuerkastens begriffen sind, den Versuchen unterworfen. Es wurden zu dem Ende zwei dünne Kasten mit flacher Oberfläche, jeder von 22 Zoll im Quadrat und 3 Zoll hoch, angefertigt; einer derselben entsprach in der Stärke des Blechs (7/16 Zoll engl.), in der Entfernung |14| der Stehbolzen von einander und in andern Einzelnheiten den Seiten des Feuerkastens des zersprungenen Kessels. Der andere bestand aus eben so starkem Blech, allein die Stehbolzen waren statt 5 nur 4 Zoll von einander entfernt. Der erste Kasten, welcher 16 Quadrate von 25 Zoll Fläche enthielt, repräsentirte den explodirten Kessel; der andere mit 25 Stehbolzen von 16 Zoll Fläche entsprach der neuen Construction der Kessel. Bei Anwendung von hydraulischem Druck auf den ersten Kasten wurde nicht die geringste Hebung oder Biegung der Seiten wahrgenommen, bis ein Druck von 455 Pfd. auf den Quadratzoll angewendet worden war, und es betrug die Hebung alsdann nur 0,03 Zoll. Bei einem Druck von 815 Pfd. zerriß der Kasten, indem der Kopf von einem der Bolzen durch die Kupferplatte gezogen wurde, welche wegen ihrer Geschmeidigkeit an demjenigen Theil wo der Bolzen eingelassen war, dem Druck einen geringen Widerstand entgegensetzte. Kurz vor dem Zerreißen der Platte betrug die Hebung 0,08 Zoll.

Bei den Versuchen mit dem Kasten, dessen Stehbolzen näher aneinander standen, erhielt man nachstehende Resultate, indem der Druck bis 1595 Pfd. per Quadratzoll gesteigert wurde. Bei einem Druck von 1625 Pfd. zersprang der Kasten, indem einer von den Bolzen durch die Platte gezogen wurde, nachdem er den Druck 1 1/2 Minuten ausgehalten hatte.

Druck
in Pfunden per
Quardatzoll.
Biegung
der Platte
in Zollen.
Druck
in Pfunden per
Quardatzoll.
Biegung
der Platte
in Zollen.
485 0,04 1445 0,12
575 0,06 1475 0,13
635 0,07 1495 0,14
755 0,08 1535 0,16
965 0,09 1565 0,22
1355 0,10 1595 0,34
1385 0,11

Diese Versuche beweisen, daß die flachen Oberflächen eines Locomotiv-Feuerkastens viel mehr Widerstand leisten als der Deckel und selbst die cylindrischen Theile des Kessels. Der ungeheure Druck, welchen die flachen Oberflächen eines Feuerkastens aushielten, der auf die jetzt gebräuchliche Weise mit Stehbolzen versehen wurde, ist nämlich, wie die zweite Versuchreihe ganz deutlich nachwies, größer als er bei irgend einem andern Theil des Kessels, mag er noch so gut construirt und verfertigt seyn, |15| erreicht werden könnte; es gibt wirklich gar keine Gränze dieses Drucks, welche mittelst einer vermehrten Anzahl stärkerer Stehbolzen nicht zu erreichen wäre.

Diese Versuche verdienen alle Beachtung auch hinsichtlich der jetzt üblichen Schiffsdampfkessel mit platten Wänden, indem sie die gegen deren Benutzung gehegten Vorurtheile beseitigen.

Auf die Frage, ob der von hohen Temperaturgraden begleitete Dampfdruck das Eisen nicht schwäche, antwortete Hr. Fairbairn, daß die Wirkung der Hitze auf die Festigkeit des Stabeisens ein Gegenstand sey, den er nächstens näher untersuchen werde. In Beziehung auf Gußeisen bemerkt er, daß nach seinen Versuchen die Festigkeit bis zu einer Temperatur von 300° F. oder 149° C. zunehme, daß sie sich aber bei höhern Temperaturen vermindere.

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