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Beitrag zur Beurteilung der Schädigung von Seilbahnseilen durch Drehung und Verdrehung im Betrieb
(Stuttgart : Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT) der Universität Stuttgart, 2017) Kühner, Konstantin; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
Bewegte Seile, beispielsweise die Zugseile einer Zweiseilpendelbahn, drehen sich während der Fahrt des Systems um ihre eigene Achse. Die helixförmige Struktur der Seile ist maßgeblich an diesem Effekt beteiligt, der durch die physikalischen Umgebungsbedingungen zum Teil unvermeidbar, durch die mechanische Einstellung und Kombination von Anlagenparametern zum Teil jedoch vermeidbar entsteht und sich zu einer bleibenden Verdrehung im Seil speichern kann. Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung von Seilbahnseilen aus der Forschungs- und Dienstleistungstätigkeit des Institut für Fördertechnik und Logistik der Universität Stuttgart (IFT) haben gezeigt, dass der Bereich der Schadensentwicklung eines Zugseils nicht zwangsläufig mit den offensichtlichen Belastungszonen aus Betriebsbeanspruchungen oder dem Lauf über Scheiben und Stützen nach derzeitigem wissenschaftlichen Stand erklärt werden kann. Detaillierte Analysen der Drahtbruchentwicklung, insbesondere der Lage der Drahtbrüche lassen eben diese Verdrehung als beschleunigenden Verschleißanteil erkennen. Bisher war die messtechnische Abbildung der Drehung eines Seiles über die Fahrstrecke und somit die Relation auf das bleibende Verdrehungs- bzw. Schadensbild nicht möglich, es wurden lediglich optische Beobachtungen durchgeführt. Ein neuartiger Sensor, der am IFT in Eigenleistung entwickelt und erfolgreich getestet wurde, erlaubt nun die digitale Aufzeichnung der Drehung über die Zeit, wodurch bisher nicht bekannte Informationen über das dynamische Seilverhalten an einem beliebigen Ort auf dem Seil erlangt werden können. Mithilfe dieser neuen Messdaten kann das Drehverhalten von Zweiseilpendelbahn-Zugseilen analysiert und maßgeblichen Parametern zugeordnet werden. Ziel der Arbeit ist es, den Zusammenhang aus Drehung, bleibender Verdrehung und resultierender Schädigung in der Seilbahnpraxis ermittelbar und vorhersagbar zu machen. Durch die Identifikation und Bezifferung von drehungsfördernden Parametern in Kombination mit den Schadensbildern der Seile aus zerstörungsfreien Prüfungen soll ein Berechnungsansatz zur Auslegung von Seilbahnzugseilen gefunden werden, mit dessen Hilfe die Sicherheit, Seillebensdauer und Verfügbarkeit der Systeme verbessert werden können.
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Beitrag zur Ermittlung und Optimierung des Systemverhaltens von Shuttle-Systemen
(Stuttgart : Institut für Fördertechnik und Logistik der Universität Stuttgart, 2021) Kriehn, Thomas; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
In dieser Arbeit wird ein analytisches Modell und ein Simulationsmodell zur Ermittlung des Systemverhaltens von Shuttle-Systemen beschrieben. Zur Optimierung des Systemverhaltens wurden Lagerstrategien entwickelt. Das Optimierungskriterium ist die Maximierung des Durchsatzes. Die Lagerstrategie „Durchsatzbasierte Einlagerung“ ordnet Artikeln und Lagerplätzen aufgrund von Zugriffshäufigkeiten Zonen zu. Die Lagerstrategie „Reihenfolgesortierung der Aufträge“ sortiert die Reihenfolge der Abarbeitung der wartenden Auslageraufträge. Die Lagerstrategie „Lagerreorganisation“ legt umzulagernde Ladeeinheiten und deren neue Lagerplätze fest. Die entwickelten Lagerstrategien wurden mit der Lagerstrategie „Chaotische Einlagerung“ verglichen. Diese Lagerstrategie wählt für einzulagernde Ladeeinheiten einen zufälligen freien Lagerplatz aus. Die Modelle ermöglichen die individuelle Parametrierung von Shuttle-Systemen und ermitteln die Ausgangsgrößen Durchsatz, Spielzeit, Wartezeit, Auslastungsgrad, Warteschlangenlänge und Auftragsdurchlaufzeit. Neuartig ist die Möglichkeit der einstellbaren Verteilung der Wahrscheinlichkeiten der Lagerplätze. Die Modelle können zur Anwendung und Weiterentwicklung von Wissenschaftlern, Planern, Betreibern und Herstellern von Shuttle-Systemen eingesetzt werden.
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Beitrag zur Untersuchung des Lebensdauerverhaltens von Drahtseilen unter einer kombinierten Beanspruchung aus Zug, Biegung und Torsion
(2013) Weber, Tobias; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
Seile, die über Scheiben laufen erfahren zusätzlich zur Beanspruchung auf Zug eine Biegebelastung. Laufende Seile können auch ohne die Möglichkeit zur freien Drehung der Seilenden einen verdrehten Zustand aufweisen, was den oben genannten Belastungszustand um die Torsionsbeanspruchung erweitert. Aufgrund der bisher bestehenden Unkenntnis bezüglich des Einflusses von Verdrehungen auf die ertragbare Biegewechselzahl bzw. die Seillebensdauer, wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit dieser Belastungszustand mit dem Ziel einer rechnerischen Bestimmung untersucht. Kapitel 1 führt in die Thematik ein und beschreibt Ursachen, die zu einer Seilverdrehung führen können. In Kapitel 2 wird eine Übersicht über den Stand der Forschung bei laufenden Seilen gegeben und auf die bisherigen Erkenntnisse ausgewählter Ursachen der Seilverdrehung eingegangen. Die bestehende Beschreibung dieser Ursachen, die zu einer Seilverdrehung führen, werden in Kapitel 3 auf theoretische Weise behandelt. Des Weiteren werden die Grundlagen und die Begrifflichkeiten von Drehung und Verdrehung beschrieben sowie die geometrischen Veränderungen innerhalb des Seils in Abhängigkeit der Verdrehung betrachtet. Da die vorliegende Arbeit u. a. zum Ziel hat, den Einfluss diskreter Verdrehungen auf die Lebensdauer laufender Drahtseile rechnerisch abzubilden und dies, wie oben bereits dargelegt, nur durch Versuche möglich ist, wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes systematische Versuchsreihen mit gezielter Variation der Untersuchungsparameter gefahren. In Kapitel 4 werden die Versuchsgrundlagen der durchgeführten Versuche beschrieben sowie die verwendeten Versuchsseile mit ihren Eigenschaften dargestellt. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführten experimentellen Untersuchungen mittels Dauerbiegeversuchen und die daraus resultierenden Ergebnisse werden in Kapitel 5 dargestellt. Zudem wird an dieser Stelle die vorgenommene Regressionsanalyse der Versuchsergebnisse beschrieben und die daraus ermittelte Berechnungsformel zur Bestimmung der ertragbaren Bruchbiegewechselzahl laufender Drahtseile unter dem Einfluss diskreter Verdrehungen abgebildet. Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen zeigen, dass der Einfluss der Verdrehung neben der Seilkonstruktion und des Verdrehgrades abhängig von der Seilzugkraft und des D/d-Verhältnisses ist. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass der Einfluss der Verdrehung in Abhängigkeit der Seilkonstruktion nicht zwangsläufig zu einer Reduzierung der Lebensdauer führt. Je nach Parameterwahl, Seilkonstruktion und Verdrehgrad ergeben sich auf Basis der systematisch durchgeführten Versuchsreihen rechnerische Lebensdauersteigerungen von bis zu 25% im Bezug zur Seillebensdauer im unverdrehten Zustand (vgl. Kapitel 5.3). Außerhalb der diskreten Verdrehwinkelbereiche in denen eine Lebensdauersteigerung auftritt, sinkt die Lebensdauer infolge der Seilverdrehung stellenweise stark ab. Besonders gravierend ist der Einfluss von Verdrehung auf die Seillebensdauer des untersuchten mehrlagigen Spiralrundlitzenseils. Durch die gegenläufige Verseilung der Litzenlagen wirkt sich die in Kapitel 3.5 dargestellte Lastumverteilung stärker aus als bei einlagigen Rundlitzenseilen. Die rechnerisch bestimmte Lebensdauerreduzierung im Bezug zur Seillebensdauer im unverdrehten Zustand liegt bei einem im Verhältnis zu den untersuchten Verdrehwinkeln der einlagigen Rundlitzenseile relativ geringen Verdrehwinkel von omega = 180°/100d und entsprechender Parameterwahl bereits bei -77% (siehe Kapitel 5.3). Durch die in dieser Arbeit auf Basis von systematischen Versuchsreihen ermittelte Berechnungsformel ist es erstmals möglich, den Einfluss diskreter Verdrehungen auf die Lebensdauer laufender Drahtseile zu bestimmen. Die vorgenommene Anpassung an die international anerkannte Gleichung zur Berechnung der Lebensdauer laufender Drahtseile nach Feyrer (vgl. Seite 43 u. Seite 110), ermöglicht eine grundlegende und weltweite Anwendung der hier aufgestellten Berechnungsmethode zur Berücksichtigung diskreter Verdrehwinkel (vgl. [Feyrer2007] u. [Feyrer2011]). Mit den theoretischen und experimentellen Betrachtungen zur Seilverdrehung lassen sich sowohl bei der Auslegung eines Seiltriebes als auch im Betrieb, die Seile auf eine mögliche Verdrehung hin untersuchen und der daraus resultierende Einfluss auf die Lebensdauer bestimmen. Die vorliegenden Untersuchungen sind daher für die Sicherheit in der Anwendung und für eine technische bzw. ökonomische Optimierung relevant.
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Entwicklung und Bewertung von Lagerstrategien zur Steigerung der Energieeffizienz in automatischen Hochregallagern unter Beachtung des Umschlags
(2015) Sommer, Tobias; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
Automatische Hochregallager (aHRL) stellen eine weitverbreitete Lösung zur Lagerung großer Sortimente bei hohen Umschlägen dar. Infolge veränderter energiepolitischer Rahmenbedingungen, wie dem weltweit steigenden Energiebedarf, der Erschöpfung fossiler Primärenergieträger und den zunehmenden politischen Restriktionen stieg der Preis für Industriestrom in Deutschland zwischen den Jahren 2000 und 2013 stark an. AHRL müssen daher hinsichtlich ihrer Energieeffizienz stetig optimiert werden, um weiterhin eine wirtschaftliche Systemlösung darzustellen. Erst in den letzten Jahren wurden in wissenschaftlichen Arbeiten Strategien zur energieeffizienten Lagerplatz-Zuordnung (LP-Zuordnung) vorgestellt. Mit Hilfe eines Simulationsmodells werden diese Strategien mit bereits bekannten umschlagsoptimierenden Strategien verglichen. Dabei wird der mittlere Energiebedarf der durchgeführten Ein- und Auslagerungsfahrten als Kennzahl zur Bewertung der Energieeffizienz von Lagerstrategien verwendet, während die entsprechende mittlere Fahrzeit als Maßstab für die Leistungsfähigkeit der Strategien hinsichtlich des Umschlags Anwendung findet. Wie die Untersuchungen im Rahmen dieser Dissertation zeigen, bleiben die dabei entwickelten Strategien jedoch hinsichtlich Energieeffizienz und Umschlag hinter bereits bekannten umschlagsoptimierenden Strategien zurück. Ziel dieser Arbeit ist es, Strategien zur LP-Zuordnung zu entwickeln und zu bewerten, die die Energieeffizienz von aHRL unter Berücksichtigung des Umschlags verbessern. Damit soll vermieden werden, dass zur Steigerung der Energieeffizienz eine unerwünschte Verminderung des Umschlags in Kauf genommen werden muss. Die erste Kategorie dieser neuartigen Lagerstrategien basiert auf dem mittleren Energiebedarf der LP zur Ein- und Auslagerung von Ladeeinheiten (LE). Die zweite Kategorie der Strategien basiert auf der Energiespannweite der LP, d. h. auf der Differenz zwischen den Energiebedarfen zur Ein- und Auslagerung einer schweren LE und einer leichten LE. Hierbei wird angestrebt, eine optimale Masseverteilung innerhalb der Regalwand zu erreichen, d. h. schwere LE v. a. in dafür besonders geeignete LP einzulagern. In beiden Kategorien werden Lagerstrategien vorgestellt, die die bekannten Strategien hinsichtlich der Energieeffizienz deutlich übertreffen. Die beste neu entwickelte Strategie führt, je nach Szenario, zu einem um 7-15 % niedrigeren Energiebedarf als die beste bisher bekannte Strategie. Darüber hinaus konnte eine Reduktion der mittleren Fahrzeit erzielt werden. Langfristig hohe monetäre Vorteile der entwickelten Strategie werden in einer Beispielrechnung nachgewiesen. Weitere Effekte, wie die ökologische Positionierung auf Anbieter- und Betreiberseite sowie die Reduktion der CO2-Kompensationszahlungen als Folge des reduzierten Energiebedarfs, steigern die Attraktivität der entwickelten Strategien.
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Ermittlung der Beanspruchung großer Seilscheiben
(2012) Kuczera, Thomas; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
In der Fördertechnik werden in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen Seiltriebe mit Seilscheiben eingesetzt. Große Seilscheiben mit einem Durchmesser von mehr als 2m werden beispielsweise in Schachtförder- und Seilbahnanlagen, Schiffshebewerken, Großgeräten im Tagebau und im Offshore-Bereich verwendet. Bisherige Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Kräfte zwischen Seil und Seilscheibe gehen von einer konstanten längenbezogenen Anpresskraft auf den Seilscheibenkranz aus und vernachlässigen weitere Einflüsse (bspw. Querkräfte aus dem Schrägzug und dynamische Kräfte). Die Biegesteifigkeit des Seils verursacht jedoch beim Auf- und Ablauf des Seils auf die Seilscheibe eine Erhöhung der längenbezogenen Anpresskraft um das bis zu 4-fache der mittleren Anpresskraft [Häb-95]. Diese Kraftüberhöhungen am Seilauf- und –ablauf bewirken bei Seilscheiben mit Speichenkonstruktion eine Erhöhung der inneren Beanspruchung (Vergleichsspannung) der Seilscheibe von über 20% (siehe Kap. 6.5 dort wird der Zahlenwert berechnet) und müssen deshalb bei der Dimensionierung von Seilscheiben berücksichtigt werden. Bei kleinen Seilablenkwinkeln (<60°) tritt eine deutliche Reduzierung der Seillebensdauer auf [Mül-66]. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei kleinen Ablenkwinkeln die Kraftüberhöhungen am Seilauf- und –ablauf teilweise oder auch vollständig zusammenfallen und nochmals deutlich größere Anpresskräfte zwischen Seil und Seilscheibe entstehen. Da diese Kräfte bisher unbekannt waren, konnten sie bei der Dimensionierung nicht berücksichtigt werden. In der vorliegenden Forschungsarbeit wird ein analytisches Modell dargestellt, in das die bisher nicht berücksichtigten Effekte und Beeinflussungsfaktoren (z. B. Seilmasse und Seilgeschwindigkeit) integriert sind, so dass die Kräfte zwischen Seil und Seilscheibe nun vollständiger beschrieben werden können. Ferner wird ein numerisches Mehrkörpersimulationsmodell beschrieben, mit dem die bis dahin unbekannten Kräfte zwischen Seil und Seilscheibe aufgrund kleiner Ablenkwinkel (die Pressungsspitzen bei Auf- und Ablauf des Seils fallen zusammen), des Schrägzugs und der Dynamik ermittelt werden können. Zur Ermittlung der inneren Beanspruchung von Seilscheiben wird eine Methode auf Basis der Finiten-Elemente-Berechnung entwickelt und die Spannungsverläufe beispielsweise in den Speichen der Seilscheibe während der Rotation dargestellt. Zur Validierung des entwickelten Berechnungsverfahrens und der numerischen Modelle werden an einer in der Praxis eingesetzten Seilscheibe einer Seilbahnanlage umfangreiche Messreihen zur Bestimmung der Verformungen und Spannungen in der Seilscheibe durchgeführt. Abschließend wird eine Methode zur sicheren festigkeitstechnischen Dimensionierung großer Seilscheiben entwickelt. Diese Methode basiert auf den gewonnenen Erkenntnissen der Anpresskräfte zwischen Seil und Seilscheibe, aus denen allgemeingültige Belastungsannahmen abgeleitet werden.
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Methode zur Messung und Bewertung der individuellen Kommissionierleistung in "Person-zur-Ware"-Systemen
(2013) Siepenkort, André; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
Bei der Zusammenstellung von Kommissionieraufträgen in der Distributionslogistik sind sowohl standardisierte Abläufe seitens der Lagerbetreiber zu realisieren, um kostengünstig logistische Dienstleistungen anzubieten, als auch kundenindividuelle Tätigkeiten flexibel in die Prozesse zu integrieren, um die vom Kunden angefragten Leistungen zu erbringen. Zur Erfüllung dieser Anforderungen erfolgt in der Praxis die Zusammenstellung von Kundenaufträgen, als wesentliche wertschöpfende Tätigkeit in Distributionszentren, fast ausschließlich durch den Einsatz von Menschen, z.T. unterstützt durch technische Hilfsmittel. In der Praxis stehen jedoch nur selten operative Leistungsdaten von einzelnen Kommissionierern zur Verfügung. Bestenfalls erfolgt die Erhebung von mengenbezogenen Kennzahlen, z.B. die Anzahl bearbeiteter Kommissionierauftragspositionen je Zeiteinheit, was jedoch nur eine unzureichende Bewertungsbasis darstellt. So sind bspw. einzelne Mitarbeiter eines Kommissionierbereiches, die Kommissionieraufträge mit der identischen Anzahl Kommissionierauftragspositionen bearbeiten, nicht unmittelbar vergleichbar, da z.B. unterschiedliche Wegstrecken zurückgelegt werden. Ziel dieser Dissertation ist daher die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Messung und Bewertung der individuellen Kommissionierleistung, um die tatsächlich erbrachte Leistung einzelner Mitarbeiter ganzheitlich beurteilen zu können. Neben der Definition des Begriffs „Kommissionierleistung“ erfolgt die Identifikation wesentlicher Einflussfaktoren auf die Kommissionierleistung. Die Einflussfaktoren sind nachfolgend mathematisch zu beschreiben und anhand von Kennzahlen zu quantifizieren. Nach der Quantifizierung der Einflussfaktoren auf die Kommissionierleistung ist eine Vergleichsbasis zu schaffen, die eine zulässige und aussagekräftige Gegenüberstellung bzw. Rangfolgebildung einzelner Mitarbeiter gewährleistet. Hierzu wird ein Verfahren aus dem Operations Research (OR) herangezogen, um die Kennzahlen der einzelnen Einflussfaktoren zu einem Effizienzwert zusammenzufassen. Die abschließende Validierung bestätigt den Mehrwert der entwickelten Methode. Die Berücksichtigung von mengen-, masse-, volumen- und wegstreckenbezogenen Kennzahlen ist daher in der Praxis realisierbar und leistet somit einen Beitrag zur Transparenzsteigerung bei der individuellen Leistungsmessung und -bewertung.
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Zum Einfluss der Querbeanspruchung auf die Lebensdauer drehungsarmer Seile
(Stuttgart : Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT) der Universität Stuttgart, 2015) Reinelt, Oliver; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei aufeinander aufbauende Teile und beschreibt in dieser Art erstmalig die Lebensdauer, die Donandtkraft und das Schädigungsverhalten drehungsarmer Seile. Ausgehend von Dauerbiegeversuchen und der Feststellung von Schäden im Seilinneren wird die reale Gefahr eines unbemerkten Seilschadens im alltäglichen Kranbetrieb aufgegriffen und zum Anlass genommen, eine gezielte Untersuchung der Kontaktbereiche zwischen den Litzenlagen drehungsarmer Seile durchzuführen. Diese Kontaktbereiche werden schließlich mit Hilfe einer eigens in dieser Arbeit konstruierten Pressvorrichtung für Einzeldrähte separat untersucht. Bekannte Ergebnisse diverser Untersuchungen und Dissertationen zum Thema Lebensdauer und Pressung zwischen Drähten werden zusammengefasst und führen schlussendlich zu dieser sehr praxisorientierten Arbeit. Im Rahmen des AiF-Forschungsprojekts „Bestimmung des Sprungpunktes von dynamisch beanspruchten Spiralrundlitzenseilen beim Übergang vom Ermüdungsbruch zum Gewaltbruch“ wurden Dauerbiegeversuche an 7 verschiedenen drehungsarmen Seilkonstruktionen in jeweils 2 Durchmessern durchgeführt. Die Prüfung erfolgte in der vom Hersteller bei der Verseilung eingebrachten Grundschmierung ohne eine spezielle zusätzliche Versuchsschmierung. Diese herstellerspezifische Grundschmierung ist auch in der Praxis entscheidend für die Lebensdauer der Seile, da in der Anwendung auf hochbeanspruchten Krananlagen Seile nur selten nachgeschmiert werden. Anhand der durchgeführten Versuche wurden die Konstanten zur Berechnung der Lebensdauer drehungsarmer Seile in Grundschmierung (= Anlieferungszustand) ermittelt. Aus den Lebensdauerkurven wurden abschließend die jeweilige Donandtkraft berechnet und die Konstanten für deren Berechnung ermittelt. Die Ergebnisse der Lebensdauerberechnung zeigen für die Versuche mit D/d = 10 im Vergleich zu Feyrer (aufgefettete Spiralrundlitzenseile) eine mittlere Lebensdauer von 58 % und für D/d = 25 eine gemittelte Lebensdauer von 73 %. Diese verringerte Lebensdauer ist zum Einen auf die Schmierung zurückzuführen und zum Anderen abhängig von den untersuchten Seilkonstruktionen. Für die Berechnung der Donandtkraft ergeben sich die besten Ergebnisse anhand einer Berechnung auf Basis der vom Hersteller angegebenen Mindestbruchkraft. Für die bisher bekannte Berechnung nach Feyrer wird die Mindestbruchkraft gemäß Normangaben verwendet. Die Mindestbruchkraft nach Herstellerangaben liegt meist deutlich höher und damit auch näher an der realen Bruchkraft des Seiles. Dieser eindeutige Zusammenhang von Mindestbruchkraft nach Herstellerangaben und Seilkonstruktion führt zur ersten Verbesserung der Berechnungsergebnisse. Eine Weiterentwickelung Feyrers Formel zur Berechnung der Donandtkraft enthält ein zusätzliches durchmesserabhängiges Glied. Mit dieser Formel werden noch realistischere Berechnungsergebnisse erzielt. Zur Erkennung und Zuordnung der Schädigung am Seil und im Seilinneren wurden magnetinduktive Prüfungen durchgeführt. Die Auswertung der Messschriebe zeigt, dass bei hohen Lasten mit einem Beginn der Schädigung im Seilinneren zu rechnen ist. Zur Verifikation wurde ein Seil magnetinduktiv geprüft und anschließend geöffnet. Die gefundenen Drahtbrüche liegen auf der zur Seileinlage gewandten Seite der Außenlitze und sind somit visuell auf der Seiloberfläche nicht erkennbar. Treten unter hoher Belastung sichtbare Drahtbrüche auf der Seiloberfläche auf, ist also auch mit unsichtbaren Drahtbrüchen im Seilinneren zu rechnen. Mikroskopische Untersuchungen an Druckstellen zwischen den Litzenlagen und an den Drahtbrüchen lassen erkennen, dass der Bereich der Kontaktstellen zwischen Litzenlagen besonders gefährdet ist. Hier zeigt sich der Verschleiß in Form tiefer werdender und stärker ausgeprägter Druckstellen und ist ein messbares Anzeichen für das Fortschreiten der Seilschädigung. Bei niedriger Belastung ist noch mit Ermüdungsbrüchen zu rechnen, mit zunehmender Belastung steigt die Anzahl der Gewaltbrüche und Scherbrüche. Bei hohen Lasten ist die Schädigung hauptsächlich von der Querpressung zwischen den Litzenlagen abhängig. Unter dem Hintergrund der Schädigung durch Querbeanspruchung der Drähte wurde eine Vorrichtung entwickelt, die es ermöglicht 2 vorgespannte Drähte unter definiertem Winkel gegeneinander zu pressen. Unter bestehender Querkraft kann der Versuchsdraht zerrissen werden. Aus Versuchsreihen mit Drähten von Durchmesser 0,8 mm bis 2,4 mm unterschiedlicher Festigkeiten wird eine unterschiedliche Empfindlichkeit dieser Drähte gegen Querpressung erkennbar. Der Draht mit geringerer Festigkeit kann verhältnismäßig mehr Querpressung ertragen um eine vergleichbare Bruchkraft zu erreichen wie ein Draht höherer Festigkeit. Diese Ergebnisse zeigen, dass bei einem Seil mit Drähten sehr hoher Festigkeit die Gefahr von Drahtbrüchen im Seilinneren steigt. Eine weitere Festigkeitssteigerung der Drähte verlangt nach gezielter Untersuchung der Empfindlichkeit gegen Querbeanspruchung dieser Drähte.
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Zum Einfluss von Verdrehungen auf die Eigenschaften zugschwellbelasteter Drahtseile
(2012) Ernst, Björn; Wehking, Karl-Heinz (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
Die vorliegende Forschungsarbeit untersucht die Lebensdauer „stehender Drahtseile“. Stehende Drahtseile sind im Betrieb vorwiegend statischen und dynamischen Zuglasten unterworfen (so genannte „Zugschwellbelastung“). Stehende Seile sind zumeist keine dauerfesten Bauteile. Einzeldrähte verschiedener Drahtlagen berühren sich an den Kontaktstellen verschiedener Drahtlagen und sind hier lokal stark erhöhten Querpressungen und Abrasion unterworfen. Bei wiederholter dynamischer Belastung entstehen unter anderem an diesen Stellen Drahtbrüche. Die Tragkraft des Einzeldrahtes geht verloren, die Tragkraft des Seiles und die Seillebensdauer werden reduziert. Eine präzise Prognose der zu erwartenden Seillebensdauer basierend auf Analytik oder rechnergestützter Simulation ist auf Grund der im Seil herrschenden inhomogenen Spannungszustände, welche aus den bei der Verseilung auftretenden Fertigungsungenauigkeiten sowie den Reibungsverhältnissen im Seil resultieren, bisher nicht möglich. Um die Lebensdauer dieser Seile im realen Einsatz zuverlässig prognostizieren zu können, werden die zu erwartenden Zugbelastungen im Labor in Zugschwellversuchen in idealisierter Form in experimentellen Versuchsreihen nachgestellt. Für „laufende Drahtseile“, die in Seiltrieben bewegt und hierbei über Scheiben und Trommeln gebogen werden, kann die zu erwartende Lebensdauer heute mit guter Genauigkeit prognostiziert werden. Mit dem Berechnungsverfahren nach Feyrer [29] existiert ein verifiziertes Berechnungsverfahren, welches die grundlegenden Einflussparameter berücksichtigt. Für stehende Drahtseile, die im Betrieb Zugschwellbelastungen unterworfen sind (z.B. Wind, Wellen, Strömung, Beschleunigungen, Verkehr) existiert heute lediglich ein stark vereinfachtes Berechnungsverfahren, welches bisher nur Prognosen für einzelne, experimentell untersuchte Seilkonstruktionen zulässt. Weiterhin ist dieses Berechnungsverfahren mit dem Mangel behaftet, dass es stets den unverdrehten Idealzustand des Seiles impliziert. Dieser tritt in der Realität zumeist nicht auf und darf folglich nicht ohne Weiteres angenommen werden (siehe Kap. 1.3). In allen Anwendungsfällen, in denen Seile über Höhendifferenzen eingesetzt werden (z.B. Seilbahnen, Festmacherseile von Bohrplattformen, Schachtförderanlagen, etc.) bewirkt das Seileigengewicht auf der freien Seillänge eine Verdrehung des Seiles um dessen Längsachse. Diese Verdrehung bewirkt Zusatzbelastungen im Seil, die in den bisherigen Versuchen und Berechnungsverfahren nicht berücksichtigt wurden (siehe Kap. 2.2, Kap. 3.3 und Kap. 3.7). Die lineare Superposition singulär im Labor abgeprüfter Grundlastfälle hat sich zur Bestimmung der Seillebensdauer jedoch als ungeeignet erwiesen. Aus diesem Grund werden Drahtseile bis heute mit hohen Sicherheitsfaktoren beaufschlagt, das bauteilspezifische Potential des Seiles bleibt somit teilweise ungenutzt. Die vorliegende Arbeit untersucht erstmals grundlegend, systematisch und umfassend den Einfluss von Verdrehungen auf die Lebensdauer sowie weiterer wichtiger Eigenschaften zugschwellbelasteter Drahtseile an zwei verbreiteten Seilkonstruktionen. Die Seile wurden hierbei erstmals bereits im Experiment einem Belastungskollektiv aus Zugschwellbelastung mit überlagerten Verdrehungen unterworfen und in Versuchsreihen mit systematischer Variation der relevanten Parameter abgeprüft. Es wird die Durchführung dieser Untersuchungen (Kap. 4), die Ergebnisse (Kap. 5) sowie ein neuer, auf den Versuchsergebnissen basierender Berechnungsansatz zur Erstellung von Lebensdauerprognosen (Kap. 6) vorgestellt. Der neuartige Berechnungsansatz basiert auf dem Verfahren der multiplen linearen Regressionsanalyse und berücksichtigt neben den charakteristischen Lastparametern „Schwingweite“ und „Unterlast“ erstmals sowohl die Verdrehung des Seiles per se als auch die gegenseitigen Beeinflussungen von Zugschwellbelastung und Verdrehung (siehe Kap. 6). Hierauf basierend wurde ein Berechnungsprogramm entwickelt, welches die zu erwartende Seillebensdauer für beliebige Belastungs- und Verdrehungsszenarien wesentlich genauer und differenzierter prognostiziert als dies mit den bisherigen Berechnungsverfahren nach Feyrer und Klöpfer der Fall war (siehe Kap. 9).