Einfluss der seitlichen Seilablenkung auf die Lebensdauer von Drahtseilen beim Lauf über Seilscheiben

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Thematik der seitlichen Ablenkung von laufenden Stahlseilen und speziell mit den Auswirkungen auf die Seillebensdauer. In zahlreichen Seilanwendungen, z.B. bei Kranen, führt die Anordnung der Seilscheiben vielfach dazu, dass die Seile beim Lauf über die Seilscheiben unter einem seitlichen Ablenkwinkel auf- und ablaufen. Dass große seitliche Ablenkwinkel zu einer erhöhten Schädigung der Seile führen ist seit langem bekannt. Die Lebensdauerminderung durch Schrägzug wurde bisher jedoch nie umfassend wissenschaftlich untersucht und quantifiziert.

Im theoretischen Teil der Arbeit werden die Schädigungsmechanismen und zusätzlichen Seilbelastungen, die bei der seitlichen Seilablenkung auf der Rillenflanke auftreten, identifiziert und analysiert.

Experimenteller Schwerpunkt der Untersuchung waren die Lebensdauerversuche. In systematischen und reproduzierbaren Dauerbiegeversuchen wurde die Seillebensdauer und die Drahtbruchentwicklung bei seitlicher Seilablenkung für 6 Kreuzschlagseile untersucht. In den Dauerbiegeversuchen wurden die Parameter Seilkonstruktion, Seilnenndurchmesser, Seilablenkwinkel, Durchmesserverhältnis von Seilscheibe zu Seil, Rillenöffnungswinkel und Biegelänge variiert. Erstmalig sind damit umfangreiche Schrägzugversuche bis zur Bruchbiegewechsel-zahl durchgeführt worden. Neben dem erwarteten Einfluss des Schrägzugwinkels konnten dabei zusätzliche, bisher nicht bekannte Einflüsse ermittelt und erklärt werden. Die ausgewerteten Dauerbiegeversuche zeigen, dass die Lebensreduzierung bei Schrägzug nicht allein vom Schrägzugwinkel sondern von weiteren Parametern des Seiltriebs (z.B. vom D/d-Verhältnis) und von seilspezifischen Einflüssen (z.B. von der Seilkonstruktion) abhängt. Seile, die aufgrund ihrer Konstruktion eine größere Verdrehsteifigkeit aufweisen, erfahren bei der seitlichen Seilablenkung eine stärkere Lebensdauerreduzierung. Für die praktische Anwendung wurde auf Basis der 6 Versuchseile eine Gleichung abgeleitet, mit der die Lebensdauerreduzierung, die ein Seil beim Lauf über eine Seilscheibe mit seitlicher Seilablenkung erfährt, überschlägig berechnet und vorhergesagt werden kann.

Im Hinblick auf die Sicherheit von Seiltrieben mit seitlicher Ablenkung wurde außerdem das in der DIN 15020 festgelegte Ablegekriterium maximale Anzahl sichtbarer Außendrahtbrüche auf festgelegten Bezugslängen auf Anwendbarkeit und Sicherheit bei Schrägzug überprüft. Bei der statistischen Auswertung der sicht-baren Außendrahtbrüche hat sich gezeigt, dass in Seiltrieben mit Stahlscheiben und bei weitgehend konstanten Seilzugkräften das Ablegekriterium Drahtbruchzahl auch bei Seilen mit Schrägzug angewendet werden kann.

Ein häufiges Schädigungsproblem von Seilen in Seiltrieben der Praxis ist der Seildrall. Bei Schrägzug wird das Problem einer Seilverdrehung zusätzlich verstärkt. Abschließend geht die Arbeit auf die Verdrehung von Seilen bei Schrägzug ein und zeigt die wesentlichen Einflussgrößen auf.

The presented thesis deals with the subject lateral deflection of running ropes and especially with the service life reduction of ropes with fleet angle. In many applications, e.g. cranes, it can not be avoided that the ropes runs over sheaves with fleet angle. Excessive fleet angles can cause serious damage to the wire ropes. Even though this has been known for a long time, the negative impact of rope deflection has never been under a comprehensive scientific examination or subject to quantification.

In the theoretical part of the thesis the damaging influences and the additional stress on ropes with fleet angle were identified and analysed.

The experimental focus of the study was on fatigue bending tests. In systematic and reproducible bending tests with fleet angle the rope endurance and the development of wire breaks was tested with 6 ordinary lay ropes. In the tests the parameters rope construction, nominal rope diameter, fleet angle, the diameter ratio between sheave and rope, groove throat angle and bending length were varied. For the first time extensive bending fatigue tests on ropes operating with fleet angles have been taken to the point of rope failure. In doing so, influences and phenomena which have so far been unknown have been found. The results showed a smaller loss of the endurance above the fleet angle for lower D/d ratios. The different loss of rope endurance - occurred in the fatigue bending tests with fleet angles - shows, that there is a correlation between the torsional rigidity and the rope endurance with rope deflection. Torque balanced ropes experience with rope deflection a stronger lifetime reduction. For the practical application the results of the 6 tested ropes have been evaluated collectively. The equation, derived from the 6 tested ropes can be used to make a rough estimate of the loss of endurance of ordinary lay ropes due to fleet angle.

In terms of the safety of rope drives with rope deflection, the discard criteria maximum number of visible external wire breaks in specified lengths - defined in the DIN 15020 - was examined for applicability and safety with rope deflection. By a statistic evaluation of the visible external wire breaks it was found, that in rope drives with rope deflection at steel sheaves and widely constant rope tension forces, the discard criteria number of wire breaks can be considered as safe.

A frequent damage problem of rope drives in practice is rope twist. With lateral rope deflection the problem of rope twist becomes more significant. By angle of rotation measurements with different rope tension forces and fleet angles, the rope twist have been pointed out for different ropes.