Lebensdauer und Ablegereife von verdichteten Stahldrahtseilen beim Lauf über Seilscheiben
Verdichtete Stahldrahtseile werden vielfältig in der Krantechnik, der Offshore-Technik und in Seiltrieben mit besonderen Anforderungen an die Gebrauchseigenschaften eingesetzt. Die Verdichtung der Litzen bzw. der Seile führt neben einer vergrößerten Auflagefläche in Rollen und Scheiben auch zu einer Erhöhung des Füllungsgrades des Seiles, d. h. einer Steigerung des Verhältnisses von metallischer Querschnittsfläche zu der Fläche des Seilquerschnitts. Im Betrieb ergeben sich dadurch im Vergleich zu einem baugleichen, unverdichteten Seil bessere Lauf- und Spuleigenschaften sowie gesteigerte Bruchkräfte.
30.05.2008 - Durch die im Vergleich zu unverdichteten Seilen höhere Bruchkraft wird auch die Antriebsdimensionierung positiv beeinflusst und der Lauf in der hoch beanspruchten Mehrlagenwicklung – und damit die Lebensdauer – wird begünstigt, während der Seil- und Scheibenverschleiß durch die glattere Seiloberfläche verringert wird. In dem von der Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.V. (AVIF) geförderten Forschungsvorhaben „Lebensdauer und Ablegereife von verdichteten Stahldrahtseilen beim Lauf über Seilscheiben“ (unterstützt von Mitgliedern des Wirtschaftsverbandes Stahl- und Metallverarbeitung e.V. und der Drahtseil-Vereinigung e.V.) konnten erstmals an einer Auswahl handelsüblicher verdichteter Stahldrahtseile, die im Dauerbiegeversuch bei Variation der Beanspruchung getestet wurden, in großem Umfang Einflüsse auf die Lebensdauer dieser Seile bestimmt werden. Ziel war es, die ermittelten Bruchbiegewechselzahlen statistisch auszuwerten und die Abhängigkeiten der Seillebensdauer von den Versuchsparametern zu quantifizieren. Zudem sollten durch fraktografische Untersuchungen wichtige Erkenntnisse über den Versagensmechanismus bei verdichteten Seilen gewonnen werden.
Durch den forschungsbegleitenden Arbeitskreis wurden 21 unterschiedliche Seile aus der laufenden Produktion für das Versuchsprogramm zur Verfügung gestellt. Jedes der Forschungsstelle zur Verfügung gestellte Versuchsseil wurde hinsichtlich der wichtigsten Konstruktionsparameter dokumentiert. Neben 8-litzigen Konstruktionen (Seale-, Warrington-Seale und Filler) wurden exemplarisch auch 6-litzige Seile in verschiedenen Ausführungen getestet. Beide Varianten waren entweder in Kreuz- oder in Gleichschlagart verseilt und besaßen unterschiedliche Seileinlagen (Fasereinlage, Stahllitze, Stahllitze mit Kunststoffmantel). Um eine mögliche Abhängigkeit der Untersuchungsergebnisse vom Seildurchmesser festzustellen, wurden zwei verschiedene Seildurchmesser (d = 12 mm, d = 16 mm) berücksichtigt. Für Vergleichszwecke wurden neben verschiedenen Verdichtungsintensitäten auch konstruktionsgleiche, unverdichtete Seile getestet.
Seildauerbiegeversuche
Für die Versuche wurden die dargestellten Dauerbiegemaschinen des IFT eingesetzt. Bei diesen Prüfmaschinen ist das Seil um die Prüf- und die Seiltreibscheibe geschlungen. Durch die oszillierende Hin- und Herbewegung der Seiltreibscheibe läuft das Seil auf der Prüfscheibe auf und ab und wird so durch Biegewechsel beansprucht. Während der Dauerbiegeversuche ist die Prüfscheibe über einen Hebel und starre Massen belastet, so dass im Seil eine konstante Zugkraft wirkt. Die Biegefrequenz bei den Dauerbiegeversuchen wurde so eingestellt, dass sich die Versuchsseile auf nicht mehr als 50 (C erwärmten. Die Versuche wurden bei konstanten Randbedingungen wie gleich bleibende Raumtemperatur, trockene Umgebung, Prüfscheiben mit Rundrillen, einem Rillenradius von r = 0,53 x Seilnenndurchmesser d und einem Rillenöffnungswinkel von 60 ( durchgeführt, bis das Seil oder mindestens eine Litze gebrochen war. Ebenfalls konstant waren die Versuchsparameter Verhältnis Scheibendurchmesser zu Seilnenndurchmesser D/d = 25, Schmierung im Anlieferungszustand, ohne seitliche Ablenkwinkel, Rundrille in Stahlscheibe und gleichsinnige Biegung. Variiert wurde der Parameter Seilzugkraft S in Abhängigkeit des jeweils getesteten Seils. Berücksichtigt wurden zudem unterschiedliche Seileinlagen, Seilkonstruktionen und Drahtnennfestigkeiten.
Ergebnisse
Die dargestellten Diagramme zeigen die Ergebnisse der aus den Seildauerbiegeversuchen ermittelten Bruchbiegewechselzahlen N aller Seilkonstruktionen. Im Durchschnitt wurden mindestens 4 verschiedene Versuche je Seil durchgeführt. Die erreichten Bruchbiegewechselzahlen sind jeweils über den durchmesserbezogenen Seilzugkräften (S/d²) aufgetragen. Für jedes der getesteten Seile sind die dazugehörigen, individuell ermittelten Regressionsgeraden eingezeichnet. Erwartungsgemäß nimmt die Bruchbiegewechselzahl mit steigender durchmesserbezogener Seilzugkraft ab. Die Versuchsergebnisse ergeben im Bezug auf die Testparameter jedoch eine noch sehr heterogene Datenbasis, so dass eine statistische Auswertung nach allgemeingültigen Kriterien nicht möglich war.
Vergleich der Ergebnisse mit der Prognose nach Feyrer
Zur analytischen Prognose der erreichbaren Biegewechselzahlen und somit für die Bestimmung der voraussichtlichen Seilablegereife eignet sich die anerkannte Methode nach Feyrer [s. 1,2,3]. Für die getesteten unverdichteten Versuchsseile korrelieren die Ergebnisse der Versuchsreihe gut mit den berechneten Werten. Die Versuchsergebnisse der verdichteten Seile haben dagegen erwartungsgemäß bestätigt, dass es bei der Prognose der Bruchbiegewechselzahlen nach Feyrer mit den vorhandenen Koeffizienten zu Abweichungen gegenüber den real erreichbaren Bruchbiegewechselzahlen kommt. Bedingt durch die große Streubreite innerhalb des Versuchsfeldes konnten geeignete Koeffizienten für die Lebensdauergleichung, die die besondere Charakteristik der verdichteten Seile berücksichtigen, somit noch nicht bestimmt werden.
Metallografische und fraktografische Untersuchungen
Für die Analyse der Schadensmechanismen, die zu den Drahtbrüchen und schließlich zum Ausfall der verdichteten Seile geführt haben, wurden in Zusammenarbeit mit der Materialprüfanstalt (MPA) in Stuttgart metallografische und fraktografische Untersuchungen an gebrochenen Versuchsdrähten durchgeführt. Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen eines Außendrahtbruches aus einem – hier exemplarisch betrachteten – 8-litzigen Seil mit Litzenverdichtung (Seilbelastung im Versuch S/d2 = 70 N/mm2) zeigen neben den als typisch bekannten Drahtverformungen auch sehr spezifische, bruchmechanisch relevante Deformationen. Bei Drähten, die während des Dauerbiegeversuches Kontakt mit der Scheibe hatten, zeigten sich bedingt durch die Pressung und die Relativbewegung zwischen Seil und Seilscheibe deutliche Verschleißellipsen. Die mit der Bezeichnung „Materialverschiebung“ versehenen Bereiche sind beim Verdichten der Litze durch die Pressung auf die darunter liegende Drahtlage entstanden. Der Drahtbruch ist in diesem Fall von der Verschleissellipse ausgegangen, wobei die Bruchfläche senkrecht zur Drahtlängsspannung liegt.
Wie die Untersuchungen gezeigt haben, geht der Drahtbruch gerade bei verdichteten Seilen jedoch nicht immer von der Kontaktzone mit der Scheibe aus. Ein weiterer Drahtbruch aus o. g. Seil wurde an einer Stelle des Seils bzw. der Litze herausgelöst, die der Kontaktzone mit der Seilscheibe gegenüberliegt. Die betrachtete Stelle resultiert aus dem Kontakt und der Pressung der Außendrahtlage mit der darunter liegenden Lage beim Verdichtungsvorgang. Durch das Verdichten und die Materialverschiebungen an den Kontaktstellen entstand eine scharfe Kante mit hohen Spannungskonzentrationen, die letztendlich bruchauslösend war. Die radiale Ausbreitung des Risses ist hier zudem gut erkennbar.
Neben Drahtbrüchen in den Kontaktbereichen mit der Seilscheibe und zwischen den Drahtlagen kommt es auch durch die Berührung zwischen zwei benachbarten Litzen an den Drahtkontaktstellen zu Drahtbrüchen. Im Vergleich zu unverdichteten Seilen konnte bei den getesteten Seilen insbesondere ein verstärktes Auftreten dieser Art von Drahtbruch festgestellt werden.
Zusammenfassung und Ausblick
Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Lebensdauer und Ablegereife von verdichteten Stahldrahtseilen beim Lauf über Seilscheiben“ wurden 21 Seile in Dauerbiegeversuchen getestet, um die quantitative Abhängigkeit der Seillebensdauer von den verschiedenen Seil- und Versuchsparametern zu bestimmen. Dies war durch statistische Methoden wegen der noch heterogenen Datenbasis nicht möglich und kann erst durch weiterführende Versuche geklärt werden. Nach den Erkenntnissen des abgeschlossenen Forschungsvorhabens ist eine Erweiterung der Feyrer’schen Lebensdauergleichung mit entsprechenden Regressionskoeffizienten noch nicht realisierbar.
Die durchgeführten fraktographischen Untersuchungen zeigen, dass die Drahtbrüche unter den gewählten Prüfbedingungen ausschließlich auf Ermüdung zurückzuführen sind. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Drahtbrüche dabei erwartungsgemäß in den Verschleißzonen zwischen Seil und Scheibe auftreten, aber auch zwischen den Drähten der einzelnen Lagen und auch verstärkt zwischen den Litzen. Durch die Materialverschiebung beim Verdichten entstehen insbesondere zwischen den Drahtlagen und Litzenlagen scharfe Kanten, an denen der Spannungsverlauf unterbrochen wird, und die somit stark bruchbegünstigend wirken.
Literatur
[1] Feyrer, K.: Berechnung der Lebensdauer von laufenden Drahtseilen. DRAHT 45, 1994, 7/8, S. 440-445.
[2] Feyrer, K.: Drahtseile – Bemessung, Betrieb, Sicherheit. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag 2000.
[3] Feyrer, K.: Wire Ropes – Tension, Endurance, Reliability. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag 2007.
Die Autoren des Beitrags sind Dipl.-Ing. Jens Weis, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Seiltechnologie am Institut für Fördertechnik und Logistik, Universität Stuttgart, Dr.-Ing. Wolfram Vogel, seit September 2007 Leiter Forschung und Entwicklung bei der Drahtseilerei Gustav Kocks GmbH & Co, Mülheim an der Ruhr ( zuvor stellvertretender Institutsleiter sowie Leiter der Abteilung Seiltechnologie am Institut für Fördertechnik und Logistik, Universität Stuttgart), und Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Wehking, Institutsleiter des Institutes für Fördertechnik und Logistik, Universität Stuttgart.
