Zum Einfluss der Querbeanspruchung auf die Lebensdauer drehungsarmer Seile

Abstract

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.

The present thesis is divided into three consecutive parts and describes for the first time in this way the endurance and the characteristics of damage of rotation resistant wire ropes. Based on fatigue bending tests and the identification of damage inside the rope, the danger of an unnoticed rope damage in everyday crane operation is recognized. The findings of fatigue bending tests gave reason for a specific study of the contact areas between the layers of strands of rotation resistant wire ropes. These contact areas are analysed separately using a specially designed device to apply a lateral force on two single wires crossing at a certain angle. Known results of various studies and theses on the subject of endurance and contact pressure between wires are summarized and in conclusion lead to this very practical thesis. Within the scope of the AiF-funded research project "Determination of the Donandtforce of rotation resistant wire ropes under dynamic working conditions“ fatigue bending tests (bending over sheave tests) were carried out on 7 different rotation resistant rope designs, each of them in 2 different diameters. The examination was executed on ropes in the basic lubrication of the manufacturer that was used during the stranding and spinning process. For the tests these ropes did not get a special pretreatment with an additional test lubrication. In practice the manufacturer-specific basic lubrication is crucial to the endurance of the ropes because in the application in heavy duty hoisting ropes are rarely re-lubricated. Based on these experiments the constants for the calculation of the endurance of rotation resistant ropes in basic lubrication (= delivery condition) were determined using Feyrer’s endurance formula. From the respective endurance graphs the Donandtforce was determined to gain the constants for its calculation. Compared to Feyrer’s results (well lubricated ropes with special test lubrication) the actual results of the fatigue life calculation show an average endurance of 58 % for the experiments with D/d = 10 and an average endurance of 73 % for D/d = 25. This reduced endurance on the one hand is due to the lubrication and on the other hand depends on the specific investigated rope designs. For the calculation of the Donandtforce the best results are obtained by using a calculation based on the minimum breaking force specified by the manufacturer. The so far known calculation according to Feyrer [Feyrer 2007] used the minimum breaking force of the rope according to specifications taken from standards. The minimum breaking force declared by the manufacturer is usually much higher and therefore closer to the real breaking force of the rope. In a second step this formula was enhanced by adding an element including the squared diameter of the rope. The calculated results based on this new formula are closer to reality. For the detection and classification of damage on the rope and especially the identification whether a wire break is on the outside or inside of the rope, magneto-inductive measurements were performed. The evaluation of the measurement records shows that at high loads the beginning of the damage can be expected inside the rope. To verify this finding a rope was inspected with magneto-inductive measurement devices and was opened afterwards. The detected wire breaks were found on the outer strands situated in the contact area from outer strands to inner strands and are therefore invisible on the rope’s surface. Thus, if visible broken wires occur on the surface of a rope under high loads, it has to be expected that there are also invisible wire breaks inside the rope. Microscopic examinations of contact points between the layers of strands and the wire breaks in this area show that this contact area in particular is endangered to be the starting point of damage due to combined loads of tension, bending and lateral pressure. The wear can be realised in the form of deepened and more pronounced pressure marks and is a measurable sign for the progression of damage. At low loads fatigue failure of wires can be expected. With increasing loads the number of forced fractures and shear fractures is also increasing. At high loads the damage mainly depends on the transverse pressure between the layers of strands. Due to the discovered deterioration caused by transverse pressure on the wires a device was developed that allows to press two pre-stressed wires to each other at a defined angle. With existing lateral force, the test wire can be ruptured. Test series with wires of diameter 0,8 mm to 2,4 mm of different tensile strengths show a different sensitivity of these wires against transverse pressure. The wire of a lower strength can endure relatively more transverse force than the wire of higher strength. The results from microscopic examinations, tensile tests with lateral force and the comparison with the damage patterns on ropes from fatigue bending tests show that for a rope with wires of very high strength the risk of broken wires inside the rope is increased. A further increase in the strength of the wires therefore requires a systematic investigation of the sensitivity of wires against transverse loads.