Beitrag zur Untersuchung des Lebensdauerverhaltens von Drahtseilen unter einer kombinierten Beanspruchung aus Zug, Biegung und Torsion

Abstract

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.

The lifetime of running ropes is affected mainly by the load (tensile load and bending) and influencing factors related to the rope itself and to the rope drive (e.g. [Feyrer2007]). Decades of research in the field of wire ropes have produced detailed knowledge on different influencing factors on the rope lifetime (e.g. [Mueller1965], [Wolf1987], [Schoenherr2005] and [Feyrer2007]). Many of these influencing factors can be considered in Feyrer’s lifetime prediction formula for running wire ropes [Feyrer2011]. Up to now, the uptwisted or untwisted state of a wire rope could not be considered in the lifetime prediction of running ropes.

The up or untwisting of wire ropes have various causes. Due to intensive research in this field, the reasons for rope twisting are well known and its occurrence has been described in detail (e.g. [Engel1958], [Rebel1997], [Chaplin2000], [Verreet2001], [Oplatka2004] u. [Feyrer2007]). According to the named references, the main causes of rope twist are height-stress, side deflection, torsional interactions and mounting/installation.

Whereas twist caused by the mounting of the rope depends heavily on the accuracy of the manual work (not including height-stress or torsional interactions during installation), twist caused by the first three named points depends on the rope itself and its application. Due to the structure of round stranded wire ropes, an axial load provokes a torque around the rope axis. The torque gradient depending on the axial load differs by rope construction (e.g. [Feyrer2007]). A connection in a series of components with different torque characteristics will show rotation under load, which is called torsional interaction ([Chaplin2000] and [Hobbs2013]).

Side deflection describes the motion of a rope onto or off of a sheave in an angular direction. The fleet angle is given between each axis of symmetry of the rope and the sheave. In many cases, for example in reeving systems, side deflection of the rope is necessary because of design characteristics (e.g. [Weber2013]). If a wire rope runs on a sheave under a certain fleet angle, it will first make contact with the sheave flange. From there it will move to the bottom of the groove in a combined movement of sliding and revolving [Schoenherr2005]. The revolving motion causes a rotation and therewith twisting of the running rope.

In rope drives with large differences in height, like hoisting plants, the first named reason of rope twist occurs (e.g. [Rebel1997], [Chaplin2000] and [Feyrer2007]). At the lower level of the mine shaft, only the payload of the conveyor appears as a tensile load on the rope. At the top of the system, a higher tensile force occurs by the additional rope weight itself, which must be considered. Under the circumstance of two rotation-resistant ends, a homogeneous torque occurs, resulting in the rope twisting differently along its length. In the upper area, the rope untwists while in the lower area the rope uptwists. The reason given for rope twist is called height-stress [Feyrer2007]. In its twisted state, a movement such as lifting causes a combined load on the rope while running over a sheave. In addition to the tensile load and the bending of the rope, a torsional load exists. The focus of existing investigations in the field of combined loading (tensile load, bending and twist), has thus far been placed on free spinning rope ends ([Dreher1933], [Thieme1937] u. [Mannitz1958]). Furthermore a lifetime prediction under a certain rope twist is not available.

As shown above, it is known that combined tensile, bending and torque loads occur, but these causes’ influences on rope life have not yet been thoroughly investigated. This makes a systematic investigation necessary. The present work shows the causes of rope twist in detail and describes the tests on bending machines which have been made during the corresponding research project (funded by the German Research Foundation DFG). Furthermore the investigation of wire breaks as a discard criterion, microscopic analyse and the influence of twist on the lay length [Herrmann2011] are part of this research project. With a regression analysis of the bending test results, a mathematical equation is determined which can be integrated into Feyrer’s internationally renowned lifetime prediction formula.

As a result of the systematic bending tests with and without twisting the rope, the influence of a constant twist of the rope in both directions, untwisted and uptwisted, is worked out for certain rope constructions. With the test results and a regression analysis, a polynomial was found by the author, which allows consideration of twist in lifetime prediction. The constants for the investigated rope constructions are given in table 5.4 on page 111. The determined equation enables the consideration of the influence of rope twist with good precision for the first time.