Kompatibilität von Faserseil und mehrlagig bewickelter Seiltrommel : Entwicklung eines Verfahrens zur Analyse, Berechnung, Abstimmung und Qualitätsbewertung der Mehrlagenwicklung

Schulze, Martin GND

Hochfestfaserseile haben Eigenschaften, die Vorteile gegenüber Drahtseilen bieten können. Durch ihr geringeres Gewicht bei ähnlichem Durchmesser und ähnlicher Tragkraft können technische Grenzen hin zu höheren Lasten oder größeren Hubhöhen verschoben werden. Andere Aspekte sind Einsparungen bei der Antriebsenergie oder ein leichteres Handling der Seile. Demgegenüber stehen andersartig ausgeprägte Eigenschaften der Faserseile, die einen Einsatz in unveränderten Seiltrieben erschweren oder unmöglich machen. Die Grundlagen von Draht-, Faserseilen und Trommeln werden in Kapitel 2 zusammengefasst. Es wird dort das Zusammenspiel von Seil und Trommel und das sich ergebende Wickelpaket beschrieben. Dabei zeigt sich, dass es eine Reihe von Anforderungen an die Trommelkonstruktion bezüglich der geometrischen Dimensionierung in Form von Normen und Richtlinien gibt. Jedoch fehlen an dieser Stelle konkrete Hinweise zur Berechnung des zu speichernden Wickelpakets. Bei Drahtseilen kann diese Lücke durch die Annahme eines kreisrunden Seilquerschnitts und darauf aufbauende Berechnungen geschlossen werden. Bei Faserseilen geht das nicht. Entweder müssen aufwendige Experimente unternommen werden oder es bleibt Unsicherheit bezüglich des sich einstellenden Wickelpakets. In jedem Fall wird durch die Unklarheit Potenzial für Leichtbau und/oder platzsparende Konstruktionen verschenkt und die Anwendung in sicherheitsrelevanten Bereichen verbietet sich. Aus diesem Mangel wird die Forschungsfrage nach Kompatibilität von Faserseil und Trommel und deren optimaler Nutzung als gesamtes System abgeleitet. Die dafür zu lösenden ersten beiden Aufgaben sind die Beschreibung des Wickelpaketes und die des Seilquerschnitts bei sich stark deformierenden Seilen. Dies geschieht experimentell und mathematisch-analytisch. Vergleicht man dann den experimentellen Verlauf mit der sich aus der Berechnung er gebenden Sollvorgabe, kann die sich tatsächlich einstellende Wickelqualität berechnet werden. Die Werkzeuge für die Messung, die Berechnung der Sollvorgabe und den Vergleich werden in dieser Arbeit entwickelt. Mit den beiden zuletzt genannten Punkten sind auch die weiteren Aufgaben gelöst. Im experimentellen Teil der Arbeit in Kapitel 3 wird zuerst das Vorgehen vorgestellt, mit dem erstmalig eine detaillierte mathematische Beschreibung des Wickelpakets und der einzelnen Umwicklungen auf der Trommel vorgenommen wird. Zu diesem Zweck werden mithilfe von Laser-Profil-Scannern (Laser-Profil-Scanner (LPS)) Aufnahmen der Oberfläche der Trommel und des Wickelpaketes gemacht. Dadurch lassen sich für den Z:\Persoenlich\Schulze\Studium\Promotion\Latex\DruckFinal\Bibliothekaufgenommenen Bereich nach der Auswertung die Positionen der einzelnen Umwicklungen räumlich beschreiben. Dies ist der Ist-Verlauf der Umwicklungen. Weiterhin wird im experimentellen Teil der am Institut für Maschinenwesen (IMW) etablierte Querdruckversuch an Seilen dahingehend erweitert, dass neben einer Aussage über das elastische reversible Deformationsverhalten auch eine Aussage über das irreversible Deformationsverhalten gemacht werden kann. Sowohl der bewährte Kennwert des Querelastizitätsmoduls als auch der neue Kennwert der relativen Rundheit werden lastabhängig als Funktion der Seil- und der Querkraft angegeben. Für die konkrete Nutzung der irreversiblen Deformation für ein Seil wird neben der relativen Rundheit in Abhängigkeit der Lasten auch der sich einstellende maximale und minimale Seildurchmesser als Funktion der relativen Rundheit angegeben. Damit ist es der Konstrukteurin oder dem Konstrukteur möglich aus den genannten Kenndaten den sich lastabhängig einstellenden Seilquerschnitt zu berechnen. Die Wickelpaketberechnung baut auf der bekannten Berechnung der Trommelbelastungen auf. Abweichend davon hat sie jedoch das Ziel, den Verlauf der Umwicklungen im mehrlagigen Wickelpaket zu berechnen. Durch die Nutzung der experimentell ermittelten Kennwerte der relativen Rundheit und des Querelastizitätsmoduls aus Kapitel 3 wird der Soll-Verlauf der Umwicklungen bestimmt. Anhand des Vergleichs der Wickelhöhen kann eine gute Übereinstimmung zwischen Berechnungsmodell und Experiment festgestellt werden. Der Soll- und der Ist-Verlauf der Umwicklungen werden in Kapitel 5 zusammengeführt. Aus dem Vergleich wird erstmalig ein Kriterium zur quantitativen Bewertung der Mehrlagenwicklung definiert. Mit diesem Kriterium werden die durchgeführten Wickelversuche und damit die Kompatibilität der eingesetzten Seile zur Trommel bewertet. Das abschließende Kapitel 6 zeigt die Möglichkeiten zur konkreten Anwendung der Ergebnisse. Zum einen wird an einem Beispiel deutlich gemacht, wie das Werkzeug der Wickelqualitätsanalyse zur Untersuchung und zum Vergleich spezieller Wickelszenarien eingesetzt werden kann. Zum anderen wird erläutert, wie aus dem Vergleich einer Trommelgeometrie mit den charakteristischen Seilgrößen eine Aussage zur Kompatibilität abgeleitet wird. Der Nutzen der vorgestellten Werkzeuge liegt in verschiedenen Bereichen. Die Entwicklung neuer oder die Anpassung bestehender Seiltriebe kann durch die vorherige Berechnung verkürzt werden. Durch ihren Einsatz können Systeme vor der experimentellen Erprobung berechnet werden. Die Erprobungszeit wird damit verkürzt. In der Erprobung besteht durch die objektive Beurteilungsgrundlage die Möglichkeit einer zielgerichteten Verbesserung. Die Wickelqualitätsanalyse kann zudem zur Überwachung zum Einsatz kommen. Beispielsweise können in sicherheitstechnisch relevanten Anwendungen Wickelfehler direkt beim Auftreten erkannt werden. Ein Weiterbetrieb mit möglicherweise katastrophalen Folgen würde so verhindert.

High-strength fibre ropes have properties that can offer advantages over wire ropes. Due to their lower weight and similar diameter and load capacity, technical limits can be shifted to higher loads or higher lifting heights. Additional aspects are savings of drive energy or easier handling of the ropes. On the opposite side, there are other distinctive properties of fibre ropes which make it difficult or impossible to use in unchanged rope drives. The basics of wire ropes, fibre ropes and drums are summarized in chapter 2. The interaction of rope and drum and the resulting winding package are discussed. On the one hand, there are a number of requirements on the drum design with regard to geometric dimensioning in the form of standards and guidelines. On the other hand, there is a lack of concrete information on the calculation of the winding package to be stored. Concerning wire ropes, this gap can be closed by assuming a circular rope cross-section and calculations based on this. Concerning fibre ropes, either elaborate experiments have to be carried out or an uncertainty remains with regard to the resulting winding package. Due to the uncertainty, potential for lightweight construction and/or space-saving constructions is wasted in any case. The research question about compatibility of fibre ropes and drums and their optimal use as an overall system is derived from this lack of information. Two tasks to be solved are the description of the winding package and the rope cross section for strongly deforming ropes. The experimental course can be compared with the analytically calculated nominal course. The actual winding quality can be calculated by comparison. Tools for measurement, calculation of the nominal course and comparison are developed in this dissertation. They also solve the following tasks. Chapter 3 describes winding experiments and their evaluation. For the first time there is developed a detailed mathematical description of the winding package and the individual windings on the drum. For this purpose, laser profile scanners (LPS) are used to take images of the surface of the drum and the winding package. The positions of the individual windings of the recorded area can be described spatially after the evaluation. This is the actual course of the windings. Further experiments are the investigations of transverse pressure behaviour established at the Institute of Mechanical Engineering (IMW). The lateral modulus of elasticity is determined for the ropes investigated. The elastic reversible deformation is determined from this. In addition, the irreversible deformation behaviour is also investigated. As a result, the relative roundness is determined. Both characteristic values are finally given as a function of the rope force and the transverse force. For the concrete calculation of the irreversible deformation of a fibre rope, the maximum and minimum rope diameters are decisive. For this purpose, the maximum and minimum diameters are given as a function of relative circularity. The engineer can thus calculate the load-dependent rope cross section. The calculation of the winding package is based on the well-known calculation of the drum loads. The aim, however, is to calculate the course of the windings in the multi-layer winding package in deviation from this. The calculation of the nominal course uses the experimentally detected characteristic values of the relative circularity and the lateral elasticity modulus (chapter 3). The agreement of calculation model and experiment can be determined by the winding height. Nominal and actual course of the windings are combined in chapter 5. For the first time the criterion for the quantitative evaluation of the multi-layer winding is defined here. This criterion is used to evaluate the winding tests carried out and thus the compatibility of the ropes used with the drum. In the final chapter 6 possibilities for the concrete application of the results are shown. On the one hand, an example shows how the tool of the winding quality analysis can be used for the investigation and comparison of special winding scenarios. On the other hand, there is an explanation how a statement on compatibility is derived from the comparison of drum geometry with the characteristic rope sizes. The benefits of the tools presented are to be found in various areas. The development of new or the adaptation of existing rope drives can be shortened by the previous calculation. By using them, systems can be calculated before experimental testing. This shortens the testing time. The objective evaluation basis enables a specific improvement during testing. The winding quality analysis can also be used for monitoring. Winding faults can, for example, be detected directly when they occur in safety-relevant applications. Catastrophic consequences due to continued operation would thus be prevented.

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Schulze, Martin: Kompatibilität von Faserseil und mehrlagig bewickelter Seiltrommel. Entwicklung eines Verfahrens zur Analyse, Berechnung, Abstimmung und Qualitätsbewertung der Mehrlagenwicklung. Clausthal-Zellerfeld 2021.

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