Lebensdauer und Ablegereife von Drahtseilen unter kombinierter Zugschwell- und Torsionsbeanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Einfluss von Verdrehungen auf die Lebensdauer zugschwellbelasteter Drahtseile war bisher nicht quantifizierbar. Mit dem durchgeführten Forschungsprojekt wurde erstmals ein umfassendes und grundlegendes Verständnis über die Auswirkungen von Verdrehungen sowie der verschiedenen für die Seillebensdauer relevanten Lastparameter geschaffen. Es wurden umfassende systematische Untersuchungsergebnisse zum Einfluss von Verdrehungen auf die Lebensdauer und andere wichtige Eigenschaften zugschwellbelasteter Drahtseile erarbeitet. Diese wurden in umfangreichen experimentellen Versuchsreihen mit systematischer Variation der relevanten Versuchsparameter sowie anschließenden mathematischen Auswerteverfahren gewonnen. Im Rahmen des durchgeführten Projektes wurden folgende Ergebnisse erarbeitet: 1. Eine reproduzierbare und übertragbare Datenbasis der durchgeführten experimentellen Versuche zur Prognose der Seillebensdauer verdrehter, zugschwellbelasteter Drahtseile zweier ausgewählter Seilkonstruktionen (ein rechtsgängiges, achtlitziges 12 mm-Kreuzschlagseil in Sealekonstruktion mit unabhängig verseilter Stahleinlage 12 8x19S IWRC sowie ein rechtsgängiges 12 mm-Spiralseil 12 1x19 SZ) wurde erarbeitet. 2. Die gegenseitige Beeinflussung von Zugschwellbelastung und Verdrehungen sowie die hieraus resultierenden lebensdauerbeeinflussenden Effekte im Seil wurden eingehend erforscht (z.B. Dauerversuche, Mikroskopie). 3. Basierend auf den experimentellen Versuchserkenntnissen wurde eine Lebensdauerberechnungsmethode erarbeitet, welche die bisher etablierte Methode zur Bestimmung der Seillebensdauer zugschwellbelasteter Seile nach Klöpfer an Präzision deutlich übertrifft. Die Berechnungsmethode nach Klöpfer bestimmt die Seillebensdauer als Funktion lastspezifischer Parameter. Hierbei wird stets ein unverdrehter Zustand des Seiles angenommen, der in der Realität jedoch nicht ohne Weiteres angenommen werden kann. Das im Rahmen dieses Forschungsprojektes erarbeitete Berechnungsverfahren berücksichtigt erstmals nicht nur den unverdrehten Grundlastfall, sondern auch verdrehte Zustände des Seiles unter Zugschwellbelastung. 4. Auf Basis dieser Lebensdauerberechnungsverfahrens wurde ein Berechnungsprogramm erstellt, welches die charakteristischen Parameter, denen das Seil in einem System unterworfen ist, als Funktion der Belastung sowie anderer relevanter Systemparameter sowohl für statische als auch dynamische Belastung ausgibt. Hierbei sind drei Betrachtungsfälle möglich: 1. statische Analyse (Zugbelastung und Verdrehung) 2. dynamische Analyse (Zugschwellbelastung und Verdrehung) 3. Berechnung der zu erwartenden Seillebensdauer bei Zugschwellbelastung und Verdrehung. Die Berechnung der zu erwartenden Seillebensdauer basiert auf dem im Forschungsprojekt erarbeiteten Berechnungsverfahren und den für die untersuchten Seilkonstruktionen bestimmten Koeffizienten. 5. Mit Hilfe mikroskopischer Untersuchungen wurden die Schädigungseffekte im Seil eingehend untersucht. Das Grundlagenverständnis für die Schädigungs- und Verschleißvorgänge zugschwellbelasteter Seile und der Einfluss von Verdrehungen auf diese Schädigungsvorgänge wurde entscheidend erweitert. 6. Erstmaliger Versuch der logisch durchgängigen Erklärung des physikalischen Schädigungsmechanismus. Die auf Basis der durchgeführten experimentellen Versuchsreihen entwickelte Gleichung zu Bestimmung der Seillebensdauer bei Zugschwellbelastung und Verdrehung ist auf Grund ihres adaptiven Aufbaus, welche die Verdrehung an sich als auch die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen Schwingweite, Unterlast und Verdrehung jeweils separat durch eigene Polynome berücksichtigt, zur Beschreibung der Lebensdauer der untersuchten Seile bei Verdrehung und Zugschwellbelastung nachgewiesenermaßen mit sehr hoher Genauigkeit geeignet. Durch Verwendung dieser Gleichung sollte es ebenfalls möglich sein, das Verhalten spezifischer, nicht im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojektes untersuchter Seilkonstruktionen mit einer geringen Anzahl experimenteller Versuche hinsichtlich Lebensdauer und Verhalten im Betrieb mit einer signifikant höheren Genauigkeit abzuschätzen, als dies mit dem bisherigen Berechnungsverfahren der Fall war. Das im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelte Berechnungsprogramm gibt auf übersichtliche Weise sowohl das statische als auch das dynamische Verhalten des Seiles in Abhängigkeit der Rahmenbedingungen sowie der Lastparameter wieder und ermittelt die zugehörige entsprechende zu erwartende Seillebensdauer für sowohl für das komplette Seil als auch beliebig definierbare Teilabschnitte. Die erzielten Ergebnisse werden unmittelbar als auch mittelbar sowohl bei laufenden als auch bei zukünftigen Forschungsarbeiten am Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT) sowie in der Weitergabe bei Schulungen und auch im Bereich der universitären Lehre Verwendung finden. Das im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelte Berechnungsprogramm steht den Mitarbeitern des IFT für Untersuchungen in Forschung und Lehre zur Verfügung. Idealerweise erweisen sich die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse und Untersuchungsansätze neben dem direkten Erkenntnisgewinn für Wissenschaft und Industrie bei weiterführenden Fragestellungen als hilfreich, in denen der Verdrehung von Drahtseilen eine tragende Rolle zukommt. Beispielsweise können durch Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse aufgetretene Schadensfälle hinsichtlich des Einflusses der Verdrehung zukünftig quantitativ analysiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- The influence of twist on tension-tension fatigue of wire ropes. OIPEEC/MTS Conference Proceedings 2011, S. 121-137, ODN 0873, ISBN 978-0-9552500-3-3, College Station, 2011
Ernst/Wehking
