Beitrag zur Ermittlung der Beanspruchung großer Seilscheiben
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Große Seilscheiben werden seit Jahrzehnten in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten der Fördertechnik in Seiltrieben von beispielsweise Schachtförder- und Seilbahnanlagen eingesetzt. Trotzdem gibt es immer noch Unkenntnisse bezüglich der Belastungssituation dieser Seilscheiben (Anpresskräfte zwischen Seil und Seilscheibe). Dies führt dazu, dass die innere Beanspruchung der Seilscheiben (Verformungen und Spannungen) nicht hinreichend genau bekannt ist und dadurch die Seilscheiben entweder stark überdimensioniert werden oder aber im schlimmsten Fall nicht ausreichend dimensioniert sind und dies zum Versagen der Seilscheibe führt. Im Detail wurden folgende neue Erkenntnisse gewonnen. Es wurde ein analytisches Modell entwickelt, das auf einem vorhandenem analytischen Modell zur Berechnung des konstanten Anteils der längenbezogenen Anpresskraft basiert, in das die bisher nicht berücksichtigten Beeinflussungsfaktoren Seilmasse und Seilgeschwindigkeit integriert wurden. Ferner kann mit dem entwickelten analytischen Modell der Grenzwinkel (notwendiger Umschlingungswinkel) ermittelt werden, der zum Haften des Seils auf der Seilscheibe erforderlich ist. Das entwickelte Ersatzmodell des Seils ermöglicht Simulationszeiten von wenigen Minuten, da das Seil im Modell als eine „diskrete flexible Verbindung“ ausgeführt wird. Es wurden mit dem erstellten Modell die folgenden neuen Erkenntnisse gewonnen. Bei kleinen Seilablenkwinkeln (kleiner als 60°) fallen die Pressungsspitzen bei Seilauf- und -ablauf teilweise oder auch vollständig zusammen und ergeben eine nochmals deutlich größere Anpresskraft zwischen Seil und Seilscheibe, als dies bisher bekannt war. Mit dem erstellten numerischen Modell kann erstmalig diese Kraft qualitativ und quantitativ ermittelt werden. Bei den untersuchten Seilkonstruktionen treten bei kleinen Ablenkwinkeln maximale Kräfte von bis zum 6-fachen des konstanten Anteils der längenbezogenen Anpresskraft (bisher nur berücksichtigte Kraft) auf. Dadurch ist eine Berechnung der längenbezogenen Anpresskraft nach den bisher bekannten Methoden bei diesen kleinen Ablenkwinkeln nicht mehr anzuwenden. Bei Anund Abfahrvorgängen von Förderanlagen ändert sich aufgrund der Beschleunigungskräfte der bewegten Massen die Seilkraft. Dies führt zu variablen und auch höheren Anpresskräften zwischen Seil und Seilscheibe, die mit Hilfe des erstellten Modells erstmalig für eine komplette dynamische Fahrt mit Beschleunigungsphase, Beharrungsphase und Verzögerungsphase berechnet werden können. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die Anpresskräfte dabei prinzipiell proportional zur aufgebrachten Beschleunigung sind. Beim Schrägzug zwischen Seil und Seilscheibe, der sich oft beim Einsatz von Seiltrieben nicht vollständig vermeiden lässt, wirken die gleichen Effekte wie beim Seilauf- und -ablauf auf die Seilscheibe, so dass dabei ebenfalls aufgrund der Biegesteifigkeit des Seils mit größeren Anpresskräften quer zur Seilrille zu rechnen ist, als dies bisher durch eine einfache analytische Berechnung ermittelt werden konnte. Mit dem erstellten Modell können die Größe und der Verlauf dieser Anpresskräfte erstmalig bestimmt werden. Entscheidenden Einfluss auf die Größe dieser Kraft haben der Schrägzugwinkel und die Seilkraft. Ferner hat auch die Rillengeometrie insbesondere der Rillenöffnungswinkel Auswirkungen auf die Anpresskräfte durch den Schrägzug. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurde zudem eine Methode zur Ermittlung der Beanspruchung von Seilscheiben auf Basis der Finite-Elemente-Methode entwickelt, um die unter Last entstehenden Verformungen und Spannungen in der Seilscheibe darstellen und beurteilen zu können. Die Validierung der entwickelten Berechnungsverfahren und Simulationsmethoden konnte erfolgreich an einer in der Praxis eingesetzten Seilscheibe einer Seilbahnanlage durchgeführt werden. Aus den gewonnenen Erkenntnissen der Anpresskräfte zwischen Seil und Seilscheibe wurde eine Methode zur sicheren festigkeitstechnischen Dimensionierung großer Seilscheiben entwickelt. Mit der erstellten Forschungsarbeit wurde ein Beitrag zur systematischen und sicheren Dimensionierung von großen Seilscheiben geleistet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ermittlung der Beanspruchung großer Seilscheiben. Diss. Universität Stuttgart 2012
Kuczera, T.
