Beitrag zur Gestaltung und Dimensionierung von Windentrommeln bei mehrlagiger Bewicklung mit Faserseilen

Stahr, Konrad GND

Aufgrund der Forderung stetig steigender Fördermengen sowie -tiefen sieht sich die fördertechnische Industrie in den letzten Jahrzehnten vor immensen Herausforderungen in den Bereichen Energie- und Rohstoffgewinnung, Bauwesen sowie Transport. Als Zugmittel kommen bis auf wenige Ausnahmen in nahezu sämtlichen der genannten Anwendungen bislang Drahtseile zum Einsatz. Aufgrund des niedrigen Verhältnisses von spezifischer Festigkeit zu Dichte stößt man mit gegenwärtigen Anforderungen hinsichtlich Förderkapazität und -tiefe jedoch an die Grenzen des Leistungsvermögens bewährter Drahtseile. Insbesondere aufgrund eines ca. um den Faktor 10 höheren Verhältnisses stellen moderne Hochfestfaserseile auch im Bereich der laufenden Seile enorme Potentiale in Aussicht. Jedoch weisen aus hochfesten Polymerfasern hergestellten Seile zum Teil mit konventionellen Stahldrahtseilen nur bedingt vergleichbare Eigenschaften auf, aus denen neue Anforderungen an die Dimensionierung der eingesetzten Hebe- und Förderzeuge, z.B. bei einer Mehrlagenwicklung, erwachsen. Diese Eigenschaften sind bisher nicht umfassend untersucht und bewertet. Zugunsten einer notwendigen Weiterentwicklung der mehrlagig bewickelten Windentrommel als Leichtbaufördermittel bedarf es einer grundlegenden Ermittlung und Quantifizierung der durch die Faserseilbewicklung erwachsenden, andersartigen Einflussgrößen sowie einer Bewertung hinsichtlich deren Auswirkungen auf das Beanspruchungsszenarios mehrlagig bewickelter Windentrommeln unter Berücksichtigung einer integralen Systembetrachtung von Seil sowie Seiltrommel. Mit Hilfe einer ganzheitlichen Betrachtung und Implementierung der in dieser Arbeit dargelegten Untersuchungsergebnisse soll ein wesentlicher Beitrag zur Qualifizierung und Anpassung der bestehenden Berechnungsmethoden erbracht und damit die Dimensionierung mehrlagig bewickelter Windentrommeln mit Seilen aus hochmodularen, hochfesten Polymerfasern ermöglicht werden. Im Anschluss an eine analytische Bewertung des Einflusses der untersuchten Kenngrößen Seilquerelastizität, Reibverhalten sowie Seilovalisierung auf das Beanspruchungsverhalten mehrlagig bewickelter Windentrommeln erfolgt eine Implementierung der neu definierten bzw. andersartigen Seilcharakteristika in den bestehenden Berechnungsansatz nach Dietz, Henschel, Mupende und Otto sowie ein Abgleich analytisch prognostizierter sowie experimentell ermittelter Bauteilbeanspruchungen an Windentrommeln.

Due to the demand for steadily increasing working quantities and depths, the conveyor industry has faced immense challenges in the areas of energy and raw material production, construction and transport in the recent decades. With a few exceptions, wire ropes have been used as traction means in almost all of the applications mentioned. Due to the low ratio of specific strength to density, however, the current requirements with regard to conveying capacity and depth are reaching the limits of the performance of proven wire rope designs. In particular, due to a ratio that is approximately 10 times higher, modern high-strength fiber ropes also put in prospect enormous potential in the area of running ropes. However, ropes made from high-strength polymer fibers only show properties comparable to conventional steel wire ropes to a limited extent, resulting in new requirements for the dimensioning of the lifting and conveying equipment utilized in the case of application, e.g. multi-layer wound rope drums. These properties have not yet been extensively investigated and evaluated. For the benefit of a necessary further development of the multi-layer wound winch drum as a lightweight conveying equipment, a fundamental determination and quantification of the different influencing variables arising from the fiber rope winding as well as an assessment of their effects on the load scenario of multi-layer wound winch drums, taking into account an integral system consideration of the rope and the rope drum, is required. With the help of a holistic view and implementation of the research results presented in this thesis, a significant contribution to the qualification and adaptation of the existing calculation methods is to be made and thus the dimensioning of multi-layered winch drums with ropes made of high-modulus, high-strength polymer fibers is made possible. Following an analytical evaluation of the influence of the investigated parameters of the rope’s lateral elasticity, friction behavior and rope ovalization on the load behavior of multi-layer wound winch drums, the newly defined or different characteristics are implemented into the existing calculation approach according to Dietz, Henschel, Mupende and Otto, as well as a comparison of analytically forecasted and experimentally determined mechanical stresses on multilayer wound winch drums is performed.

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Stahr, Konrad: Beitrag zur Gestaltung und Dimensionierung von Windentrommeln bei mehrlagiger Bewicklung mit Faserseilen. Clausthal-Zellerfeld 2020.

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