LifetimeCoatedRopes - Lebensdauer und Wickelverhalten kunststoffummantel­ter Drahtseile

Ausgangssituation

Kunststoffummantelte Drahtseile werden in einigen Anwendungsfällen bereits eingesetzt. Dabei zeichnen sie sich in der Praxis durch eine deutlich höhere Lebensdauer als konventionelle Drahtseile aus. Die Kriterien zur Auswechslung geschädigter konventioneller Drahtseile sind in Normen für die entsprechende Gestaltungsstruktur des Seiles und des Seiltriebs festgelegt. In aktuellen Normen gibt es keine standardisierten Ablegekriterien für ummantelte Drahtseile. Seilhersteller geben Anwendungshinweise und Bewertungskriterien auf Grundlage eigener Untersuchungen.

Zielstellung und Lösungsansatz

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Untersuchungen zum Einfluss der Kunststoffummantelung auf die Lebensdauer und das Wickelverhalten von Drahtseilen durchgeführt.

Experimentelle Dauerbiegeversuche dienten zur praktischen Ermittlung der Lebensdauer bei unterschiedlichen D/d-Verhältnissen und Lasthorizonten. Die Beanspruchungen der Seildrähte beim Lauf über Seilscheiben wurden mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht. Mit Hilfe der Simulation zwei- und drei-dimensionaler FE-Modelle der Seilgeometrie konnte die Druckbeanspruchung der Seildrähte infolge der Belastung ermittelt werden. Wie die Normen zur Bestimmung der Ablegereife besitzen auch rechnerische Methoden zur Abschätzung der Lebensdauer keine Ansätze für kunststoffummantelte Drahtseile. Die Abschätzungsmethode „Leipzig“ basiert auf den einzelnen Zug-, Druck- und Biegespannungen der Seildrähte. Durch die Erkenntnisse zur Druckspannungsverteilung in ummantelten Seilen aus den FE-Simulationen sowie die Ergebnisse der Dauerbiegeversuche sollte die Reduzierung der Druckspannung rechnerisch in die Methode „Leipzig“ eingepflegt werden.

Die Belastung einer Seiltrommel ist neben der Seilzugkraft auch von der Seilsteifigkeit, beschrieben durch den Längs- sowie Querelastizitätsmodul, abhängig. Anhand von Spulversuchen wurden die Arten und Orte der Schädigung an kunststoffummantelten Drahtseilen untersucht. Die im Modellversuch bestimmten Parameter – Querelastizität des einzelnen Seiles und eines Seilpaketes sowie die vom Kunststoff maximal ertragbare Querkraft im Kreuzungsbereich – wurden zur Validierung des erstellten Finite-Elemente-Modells genutzt.

Umsetzung

Während der Projektlaufzeit wurden 29 Dauerbiegeversuche mit den drei Seilvarianten durchgeführt. Dabei wurde die Lebensdauer der konventionellen Drahtseile
(Seilvariante 3) mit der Lebensdauer der kunststoffumummantelten Seile (Seilvariante 1 und 2) verglichen, um den Einfluss der Ummantelung auf den Lebensdauerzugewinn durch erreichbare Biegewechsel experimentell zu bestimmen. Im Rahmen der Versuche wurden unterschiedliche Lasthorizonte und D/d-Verhältnisse getestet. In Abhängigkeit der Parameter wurde eine deutliche Steigerung der Lebensdauer festgestellt. Am Beispiel der Abbildung 1 beträgt der Lebensdauerzugewinn 27 % bzw. 53 % zum Ausgangswert des konventionellen Seiles.

Das Belastungsszenario eines laufendes Drahtseiles beim Rollübergang über eine Seilscheibe wurde mittels numerischer Analyse unter Verwendung der experiementell genutzten Parameter simuliert. Der Betrachtungsschwerpunkt lag hierbei auf der Änderung Verteilung der Druckspannung in den Außendrähten der Seilkonstruktion infolge der Ummantelung. Es wurde eine Reduzierung der Druckspannung um ca. 66 % festgestellt (Abbildung 2).

Die numerischen Ergebnisse der Druckspannung konnten in den analytischen Ansatz der Lebensdauerabschätzung integriert werden. Die rechnerisch bestimmte Lebensdauer steigerte sich um ca. 44 %. Mittels der experimentellen Lebensdauer konnte die Rechnung validiert werden.

Unter Einbeziehung experimenteller Ergebnisse zur Mehrlagenwicklung von kunststoffummantelten Drahtseilen aus Spulversuchen sowie der Erkenntnisse aus FE-Simulationen wurden Gestaltungshinweise für geeignete Seiltrommeln konzipiert. Dabei lag der Fokus auf der Anpassung der Bordscheibenstruktur. Durch die Auffüllung der freien Räume im parallelen Wicklungsbereich kann das kunststoffummantelte Drahtseil seitlich gestützt und eine Einschnürung vermieden werden. Durch diese Anpassung können kunststoffummantelte Seile zeitlich begrenzt in Anwendungen mit Mehrlagenwicklung genutzt werden.

Projektabschluss

Schlussbericht

Forschungseinrichtungen

• TU Dresden, Professur für Technische Logistik, Prof. Dr.-Ing. habil. Thorsten Schmidt
  (Federführende Forschungseinrichtung)
• TU Clausthal, Professur Maschinenelemnte und Konstruktionslehre, Prof. Dr.-Ing. Armin Lohrengel

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben (19598 BG) der Forschungsgemeinschaft Gemeinschaftsausschuss Kaltformgebung e.V. wird über die AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages für die Zeit vom 01.08.2017 bis 31.05.2020 gefördert.