Zum Einfluss von Verdrehungen auf die Eigenschaften zugschwellbelasteter Drahtseile

Abstract

Die vorliegende Forschungsarbeit untersucht die Lebensdauer „stehender Drahtseile“. Stehende Drahtseile sind im Betrieb vorwiegend statischen und dynamischen Zuglasten unterworfen (so genannte „Zugschwellbelastung“). Stehende Seile sind zumeist keine dauerfesten Bauteile. Einzeldrähte verschiedener Drahtlagen berühren sich an den Kontaktstellen verschiedener Drahtlagen und sind hier lokal stark erhöhten Querpressungen und Abrasion unterworfen. Bei wiederholter dynamischer Belastung entstehen unter anderem an diesen Stellen Drahtbrüche. Die Tragkraft des Einzeldrahtes geht verloren, die Tragkraft des Seiles und die Seillebensdauer werden reduziert. Eine präzise Prognose der zu erwartenden Seillebensdauer basierend auf Analytik oder rechnergestützter Simulation ist auf Grund der im Seil herrschenden inhomogenen Spannungszustände, welche aus den bei der Verseilung auftretenden Fertigungsungenauigkeiten sowie den Reibungsverhältnissen im Seil resultieren, bisher nicht möglich. Um die Lebensdauer dieser Seile im realen Einsatz zuverlässig prognostizieren zu können, werden die zu erwartenden Zugbelastungen im Labor in Zugschwellversuchen in idealisierter Form in experimentellen Versuchsreihen nachgestellt. Für „laufende Drahtseile“, die in Seiltrieben bewegt und hierbei über Scheiben und Trommeln gebogen werden, kann die zu erwartende Lebensdauer heute mit guter Genauigkeit prognostiziert werden. Mit dem Berechnungsverfahren nach Feyrer [29] existiert ein verifiziertes Berechnungsverfahren, welches die grundlegenden Einflussparameter berücksichtigt. Für stehende Drahtseile, die im Betrieb Zugschwellbelastungen unterworfen sind (z.B. Wind, Wellen, Strömung, Beschleunigungen, Verkehr) existiert heute lediglich ein stark vereinfachtes Berechnungsverfahren, welches bisher nur Prognosen für einzelne, experimentell untersuchte Seilkonstruktionen zulässt. Weiterhin ist dieses Berechnungsverfahren mit dem Mangel behaftet, dass es stets den unverdrehten Idealzustand des Seiles impliziert. Dieser tritt in der Realität zumeist nicht auf und darf folglich nicht ohne Weiteres angenommen werden (siehe Kap. 1.3). In allen Anwendungsfällen, in denen Seile über Höhendifferenzen eingesetzt werden (z.B. Seilbahnen, Festmacherseile von Bohrplattformen, Schachtförderanlagen, etc.) bewirkt das Seileigengewicht auf der freien Seillänge eine Verdrehung des Seiles um dessen Längsachse. Diese Verdrehung bewirkt Zusatzbelastungen im Seil, die in den bisherigen Versuchen und Berechnungsverfahren nicht berücksichtigt wurden (siehe Kap. 2.2, Kap. 3.3 und Kap. 3.7). Die lineare Superposition singulär im Labor abgeprüfter Grundlastfälle hat sich zur Bestimmung der Seillebensdauer jedoch als ungeeignet erwiesen. Aus diesem Grund werden Drahtseile bis heute mit hohen Sicherheitsfaktoren beaufschlagt, das bauteilspezifische Potential des Seiles bleibt somit teilweise ungenutzt. Die vorliegende Arbeit untersucht erstmals grundlegend, systematisch und umfassend den Einfluss von Verdrehungen auf die Lebensdauer sowie weiterer wichtiger Eigenschaften zugschwellbelasteter Drahtseile an zwei verbreiteten Seilkonstruktionen. Die Seile wurden hierbei erstmals bereits im Experiment einem Belastungskollektiv aus Zugschwellbelastung mit überlagerten Verdrehungen unterworfen und in Versuchsreihen mit systematischer Variation der relevanten Parameter abgeprüft. Es wird die Durchführung dieser Untersuchungen (Kap. 4), die Ergebnisse (Kap. 5) sowie ein neuer, auf den Versuchsergebnissen basierender Berechnungsansatz zur Erstellung von Lebensdauerprognosen (Kap. 6) vorgestellt. Der neuartige Berechnungsansatz basiert auf dem Verfahren der multiplen linearen Regressionsanalyse und berücksichtigt neben den charakteristischen Lastparametern „Schwingweite“ und „Unterlast“ erstmals sowohl die Verdrehung des Seiles per se als auch die gegenseitigen Beeinflussungen von Zugschwellbelastung und Verdrehung (siehe Kap. 6). Hierauf basierend wurde ein Berechnungsprogramm entwickelt, welches die zu erwartende Seillebensdauer für beliebige Belastungs- und Verdrehungsszenarien wesentlich genauer und differenzierter prognostiziert als dies mit den bisherigen Berechnungsverfahren nach Feyrer und Klöpfer der Fall war (siehe Kap. 9).

The research work presented in this thesis investigates the lifetime and other relevant characteristics of twisted, T-T loaded wire ropes. The lifetime prediction of wire ropes subjected to tension-tension loading (T-T loading) and twist is an issue related to ropes suspended over large differences in height. When suspended over a huge difference in height, wire ropes are subject to a higher tensile stress at the upper end than at the lower end due to their own weight. So, though terminated non-rotating at both ends the T-T loaded wire rope undergoes different conditions of twist along its free length. In case of two rotation-resistant end terminations the rotation angle is zero at both end terminations and achieves its maximum in the middle of the suspended rope length. These effects lead to changes of the rope geometry, which result in a redistribution (i.e. un-balancing) of the tensile loading between strands and core as well as between single wires. Additional effects may also occur, for example inter-strand wire contacts. These effects occur basically in all applications with significant differences in height, however, up to date it is still unclear how and why a specific level of twist does affect the T-T fatigue life of wire ropes. For this purpose, two different rope constructions are investigated, a single-layer strand rope and an open spiral strand. The experimental testings comprise tensile tests, determination of rope moduli, determination of load-torque-characteristics, T-T fatigue tests. All these types of test series are performed in an untwisted state and at different defined levels of twist in both twisting directions (untwisted and uptwisted). The results of the experimental tests are analysed by using multiple linear regression analyses with adequate approaches. The T-T fatigue tests are analysed by using a new regression approach which is based on the findings of the known lifetime formula for T-T fatigue but for the first time takes into account the level of twist of the rope as well as the interactions between load range, minimum load and direction and level of twist. The lifetime charts and the correlating regression coefficients of both investigated rope constructions are presented in this thesis for all investigated load-twist-scenarios. Exhaustive optical and scanning electron microscopic investigations found that in the eight-strand rope the radial interaction in the contact zones between the outer wires of the strands and the outer wires of the rope core is to be regarded as crucial point where the wires begin to fail and thus influence the T-T fatigue life of the rope. Hence, the changes of the rope geometry due to twisting exert a major influence on the T-T fatigue life of the rope. Based on the findings of the research work, a calculation tool was created which calculates the tensile forces at both end terminations, rope torque along the free length, position and value of the maximum rotation angle, twist angles at both end terminations and at user-defined positions as well as their changes in dynamic loading scenarios as functions of the surrounding parameters. Most importantly, this program also calculates the T-T fatigue life of the rope to be expected in the surrounding conditions defined by the user. By using this calculation tool a much more precise T-T fatigue life calculation may be performed for any combination of loadings and twist as it was possible in the past. Based on the findings of the performed experimental tests, the mathematical and statistical analyses and the microscopic investigations can be stated that the lifetime of a twisted, T-T loaded wire rope is influenced by three factors: 1. The interaction of load range, minimum load and direction and level of twist. 2. The un-balancing of load sharing a) between rope core and strands and/or b) between the wires of different layers imposed by twisting of the rope. This effect is directly related to the rope construction and occurs in both twisting directions. 3. The changes in the contact zones between a) rope core and strands and /or b) between wires of different layers, respectively. The failure mechanism that exerts predominant influence on the T-T fatigue life is dependent on the rope construction. The results of the experimental tests and of the performed analyses showed a high reproducibility. Hence, the coefficients and results gained in this research seem to be resilient. Furthermore, with the considerations and the theory regarding the notch effects on the single wires, a new investigative approach is integrated into the established way of wire rope research. In combination with the microscopic investigations this approach made it possible to explain the influence of twisting on the T-T fatigue life.