Lebensdauer von Stahlseilen beim kombinierten Lauf über Treib- und Ablenkscheiben unterschiedlicher Rillenform

Abstract

Die Lebensdauer von Stahldrahtseilen in Treibscheibenaufzügen wird von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst. Bei allen Anwendungen, bei denen Seile über Rollen laufen, erfahren die Seile eine Zug- und Biegebeanspruchung, die zu einer Materialermüdung und zu einem Verschleiß der Drähte an der Seiloberfläche und im Inneren der Seile führt. Darüber hinaus findet man bei Treibscheibenaufzügen systembedingt weitere anwendungsspezifische Beanspruchungen, die zu einer zusätzlichen Lebensdauerminderung der Seile führen. Zu diesen zusätzlichen lebensdauerbeeinflussenden Faktoren zählen der Seilschlupf, die hohe Pressungsbeanspruchung in Formrillen von Treibscheiben sowie eine wechselnde Ovalisierung der Seile und der Seilschlupf. Im Rahmen einer ausführlichen Literaturrecherche wird der derzeitige wissenschaftliche Stand der Forschung zum Thema Lebensdauer laufender Stahlseilen und speziell von Aufzugsseilen beschrieben. Im theoretischen Teil der Arbeit erfolgt eine detaillierte Darstellung und Analyse der aufzugspezifischen Schädigungsmechanismen für das Seil. Dazu werden verschiedene Arbeiten zur Beanspruchung laufender Seile in Rundrillen um die Betrachtung der Pressung und Ovalisierung beim Lauf von Stahlseilen in Formrillen erweitert. Anhand der so gewonnenen Erkenntnisse werden die Wechselbeanspruchungen analysiert, die das Seil beim Lauf über eine Kombination aus Form- und Rundrille erfährt. Mögliche Einflussfaktoren, wie die Seilquersteifigkeit, werden dabei ebenfalls betrachtet. Ausgehend von den im Aufzug vorhandenen statischen und dynamischen Seilkraftverhältnissen und auf Basis der geleisteten Reibarbeit wird ein Modell zur Quantifizierung des Seilverschleißes gebildet. Dieses wird anhand von Dauerbiegeversuchen mit und ohne Schlupf verifiziert. In den durchgeführten Versuchen werden sowohl wesentliche seilspezifische Parameter, wie die Seileinlage, als auch zahlreiche Parameter des Aufzugseiltriebs, z.B. Seilscheibengeometrien, variiert, um die Auswirkung auf die Lebensdauer zu untersuchen. Zusätzlich zur Anwendung der bekannten Dauerbiegemaschinen wurde eigens für die Untersuchung der Problemstellung ein Prüfstand für schlupfbehaftete Dauerbiegeversuche entwickelt und aufgebaut. Die methodische Vorgehensweise bei der Durchführung, Inspektion und Auswertung der Dauerbiegeversuche wird erläutert und es werden die bei den regelmäßigen Inspektionen während der Versuchsdurchführung gewonnenen Schadensverläufe und Drahtbruchentwicklungen dargestellt. Durch den Vergleich der Rundrillen-Referenzversuche mit den Versuchsreihen mit Formrille lässt sich der Schädigungsparameter Rillenform isoliert quantifizieren. Zusätzlich kann durch die Auswertung von Doppelscheibenversuche mit Kombinationen von Form- und Rundrillen der Einfluss der wechselnden Seilovalisierung ermittelt werden. Die Versuchauswertung der schlupfbehafteten Dauerbiegeversuche gibt Aufschluss über den Einfluss der Seilkraftverhältnisse und die Minderung der Seillebensdauer durch zusätzlichen Seilschlupf. Im Hinblick auf die Anwendungssicherheit wird die Drahtbruchentwicklung untersucht und erstmals bei Aufzugsseilen der Zusammenhang zwischen der Anzahl äußerlich sichtbarer Drahtbrüche und der verbleibenden Restbruchkraft experimentell ermittelt. Damit konnte die Frage nach der Sicherheit der bestehenden Ablegekriterien geklärt werden. Unter Berücksichtigung der Haupteinflussparameter wurde auf Basis der Versuchsergebnisse ein mehrdimensionaler Regressionsansatz aufgestellt und die Regressionskoeffizienten ermittelt. Für die Auslegung von Aufzugsseilen ist damit ein neuartiger Berechnungsansatz verfügbar, der erstmals die tatsächlichen Pressungsverhältnisse in Formrillen und den Seilschlupf berücksichtigt.

Due to the different rope forces on the car and the counter weight side in traction elevators different traction forces need to be transmitted between the rope and the sheave groove. The amount of required traction depends on the loading of the car and the riding dynamics. The service life of steel wire ropes in traction elevators is thereby affected by a variety of factors. Like in all applications in which ropes run over sheaves, they are also subjected to bending, tensile and compressive stress which results in material fatigue and in wear of the wires, both on the surface of the rope and also internally. In addition to these factors other application-specific loads are applicable in traction sheave elevators which exacerbate the reduction of rope service life. These additional life-affecting factors include rope slip due to the transmission of traction, high compressive stress in the shaped grooves of traction sheaves and changing ovalisation of ropes due to differently shaped grooves in the rope drive of traction elevators. The objective of this thesis was to analyse and quantify the interaction of different elevator-specific damaging mechanisms with respect to the rope service life. To permit a fundamental analysis of different influencing factors and damage parameters a two phased approach consisting of in-depth theoretical analysis and an extensive experimental investigation was chosen. Based on the theoretical part it was possible to define a test setup which enables quantification of different life reducing damage parameters and develop a regression formula to calculate the rope lifetime reduction in traction systems with form grooves independent of the used rope construction. Based on this new formula the rope lifetime prognosis in traction elevators will improve significantly since for the first time all major physical influencing parameters are considered. Thereby the drawbacks of the old calculation method that is based on the empirical data from old type traction elevator systems will be overcome and the new calculation method will also be applicable for new rope constructions and drive designs. Using an energetic approach in the theoretical analysis it was proven, that the product of the transmitted traction force is an adequate regression coefficient to characterise the amount of wear caused by rope slip in the traction system. Together with the specific pressure and the ovalisation effect in the form grooves it defines the main deterioration mechanisms in traction systems. Even thought the theoretical analysis did already highlight many effects related to the reduction of lifetime in traction rope drives a quantification and analysis of the interaction of the different damage factors requires experimental investigation. Different test series were therefore developed to determine the different rope damage factors, contact pressure in different form grooves, fluctuating ovalisation stress in rope drives with different groove geometries, dynamic change of rope forces and rope slip due to traction transmission. The tests were accomplished with typical elevator rope designs. 8x19 Seale and 8x19 Warrington with 8 mm, 10 mm and 13 mm diameter. Each rope construction was available as steel core and fibre core type to compare their behaviour. Thereby over a test period of more than 3 years over 70 tests were executed to prove the hypotheses developed in the theoretical analysis. Out of the test results, it was possible to deduce the appropriate regression coefficients for a regression equation that is based on the theoretical part of the work. Incorporating the three main damage factors - contact pressure, traction grade and transmitted traction force, in one regression formula it is for the first time possible to reflect rather precisely the lifetime reduction in traction rope drives. This new approach can be integrated in the existing rope lifetime calculation method for round grooves without transmission of traction and is thereby independent of the used groove type and rope construction.