Ausgabe 2/2010
Der Einfluss der Gegenbiegung in Seiltrieben von Treibscheibenaufzügen
Dr.-Ing. Wolfram Vogel
In Treibscheibenaufzügen sind die Stahldrahtseile einer Biegeermüdung durch den Lauf über die Treib- und Umlenkscheiben ausgesetzt. Hinsichtlich der Biegefolge ist auf das Auftreten von gleichsinnigen und gegensinnigen Biegungen , die unterschiedlich starken Einfl uss auf die Seillebensdauer haben, zu achten. In Treibscheibenaufzügen treten Gegenbiegungen bei Stahldrahtseilen beim Lauf über die Treib- und Umlenkscheiben bei der Anordnung des Antriebes oben oder unten neben der Fahrbahn auf. Gegenbiegungen an Stahldrahtseilen werden auch dann in Kauf genommen, wenn durch eine zusätzliche Umlenkung der Umschlingungswinkel der Treibscheibe und damit die Treibfähigkeit erhöht werden muss.
Bedingt durch die kleinen Treib- und Umlenkscheiben z. B. bis zu D/d = 25, die für DRAKO-Seile nach der Entwurfsmusterprüfbescheinigung G515 zugelassen sind, werden bei bestehenden Schächten in der Nachrüstung mit kleinen Antrieben Umlenkungen mit Gegenbiegung der Stahldrahtseile regelmäßig auftreten. Bild 1 zeigt Beispiele für die Seilführung mit Gegenbiegungen in Seiltrieben in Treibscheibenaufzügen.
Die Gegenbiegung von Stahldrahtseilen und die Auswirkung auf die Seillebensdauer ist für den Lauf über Scheiben mit Rundrillen in FeyJah1991, Jeh1985 und Mül1965 behandelt und beschrieben worden. Für den besonderen Fall, dass die Gegenbiegung zwischen der Treibscheibe mit Formrille und einer Umlenkscheibe häufig noch mit unterschiedlichen Durchmesserverhältnissen stattfindet, ist bisher nichts berichtet worden. Im Folgenden wird die Lebensdauerberechnung hinsichtlich der Implementierung der Gegenbiegung unter den genannten besonderen Verhältnissen betrachtet.
Stand der Erkenntnisse
Die Geschichte des Standes der Erkenntnisse ist schnell erzählt. Untersuchungen zum Thema Gegenbiegung bei laufenden Stahldrahtseilen liegen praktisch nur von Mül1961, Jeh1985 und FeyJah1991 vor. Auf der Basis der Ergebnisse aus Dauerbiegeversuchen von Mül1961 bestätigt von Jeh1985 ist in DIN 15 020 der Lebensdauer mindernde Ein-fluss der Gegenbiegung gegenüber der gleichsinnigen Biegung mit Faktor 2 ermittelt worden. Diese Ergebnisse sind mit Versuchen mit einggrenztem Parameterfeld ermittelt worden. FeyJah1991 haben bei ihren Versuchen die Parameter Durchmesserverhältnis von Scheibe zu Seil, die Seilzugkraft S und die Seile in weiten Grenzen variiert. Es kann
festgestellt werden, dass die Gegenbiegewechselzahl bis zum Bruch bzw. bis zur Ablegereife stark von der Bruch- bzw. Ablegebiegewechselzahl bei gleichsinniger Biegung abhängt. Mittels linearer Mehrfachregressionen sind aus den Versuchsergebnissen entsprechende Gleichungen abgeleitet worden. Mit abnehmender Biegewechselzahl in gleichsinniger Biegung und für zunehmende D/d, d. h. abnehmende Biegebeanspruchungen, nimmt das Verhältnis der Gegenbiegewechselzahlen zu den Biegewechselzahlen unter gleichsinniger Biegung zu.
Die Biegeversuche der oben genannten Autoren sind mit recht kleinen Abständen zwischen den Scheiben durchgeführt worden. Für steigende Abstände der Scheiben zwischen denen die Gegenbiegung abläuft, wird nicht ausgeschlossen, dass die Seile der Gegenbiegebeanspruchung ausweichen. Dies hätte die positive Folge einerLebensdauersteigerung. Die Praxis zeigt, dass dies von Fall zu Fall zu prüfen ist. In der EN 81-1 wird von einer Gegenbiegung erst bei einem Abstand der Scheibe kleiner als 200mal Seilnenndurchmesser ausgegangen. Der Lebensdauer mindernde Einfl uss der Gegenbiegung wird dort berücksichtigt, indem die Anzahl der Seilrollen mit Gegenbiegung mit dem Faktor 4 gegenüber den Seilrollen mit gleichsinniger Biegung gewertet werden.
Definition der Gegenbiegung und der Einfachbiegung
Bei über Scheiben laufenden Seilen wird zwischen der gleichsinnigen Biegung (Einfachbiegung) und der Gegenbiegung unterschieden. Bei einer gleichsinnigen Biegung nimmt das Seil die Zustände gerade -gebogen-gerade an. Bei zwei aufeinanderfolgenden Scheiben muss der Biegesinn des Seiles gleich sein. Bei einer Gegenbiegung, bei der mindestens zwei Scheiben beteiligt sein müssen, nimmt das Seil die Zustände gerade-gebogen-gerade-gegensinnig gebogen an. Eine detaillierte Darstellung der beiden Biegeformen findet sich unter Einbeziehung der OIPEEC-Recommendation 3 in Fey2000.
Gegenbiegung in Treibscheibenaufzügen
Die oben angesprochenen Versuche und Auswertungen zum Lebensdauerverhalten von Seilen unter Gegenbiegung sind mit Scheibenkombinationen gleicher Durchmesser-verhältnisse D/d und mit Rundrillen durchgeführt worden. In Treibscheibenaufzügen mit nebenstehenden Antrieben ist hingegen die Einbausituation vorzufinden, dass
- die Treibscheibe mit einer Formrille, d. h. Keilrille oder Sitzrille mit Unterschnitt ausgeführt ist und
- die Treibscheibe und die Umlenkscheibe, zwischen denen die Gegenbiegung abläuft, regelmäßig unterschiedliche Durchmesserverhältnisse D/d aufweisen.
Für eine Lebensdauerberechnung muss die Biegefolge des höchstbeanspruchten Seilstückes betrachtet werden. Mit der Kenntnis der Biegefolge und der Biegeelemente kann dann die Zuordnung der Einflüsse der Gegenbiegung und der Formrille erfolgen. Für jedes Biegeelement ist eine Biegewechselzahl zu berechnen und mit der Schadensakkumula-tionshypothese nach Palmgren-Miner zur Fahrtenzahl zusammenzufassen. Bei dieser Modellierung der Biegeelemente ist darauf zu achten, dass die beiden sehr starken Einflüsse auf die Seillebensdauer Gegenbiegung und Formrille nicht unter aber auch nicht überrepräsentiert sind.
Die Biegefolge bei einem nebenstehen den Antrieb ist in Bild 2 dargestellt. Die Handhabung der Biegeelemente 1 und 4 ist dabei unkritisch. Die Biegeelemente 2 und 3 sind einer kritischen Betrachtung zu unterziehen, welchem Element welcher Einfluss zugeordnet wird. Die Variante, den Einfluss der Treibscheibe und der Gegenbiegung in einem Biegeelement zusammenzulegen führt zu sehr kleinen berechneten Zyklenzahlen.
Bei Vergleichen der berechneten und der im Feld beobachteten Seillebensdauern sind gute Annäherungen erzielt worden, wenn die Gegenbiegung mit einem mittleren Durchmesser gebildet aus dem Durchmesser der Treibscheibe und der Umlenkscheibe berechnet und eine Rundrille zugrunde gelegt wird. Eine zusätzliche Verfeinerung der Gegenbiegung durch Berücksichtigung der unterschiedlichen Durchmesser von Treibscheibe und Gegengewicht mit jeweils einem halben Biegewechsel erhöht den Aufwand und die Feinheit bei der Schadensakkumulationshypothese. Die Vorgehensweise mit dem mittleren Durchmesser ist gerechtfertigt, wenn die Durchmesser bei Treib- und Umlenkscheibe nur wenig unterschiedlich sind. Der Einfluss der Treibscheibenrille auf die Fahrtenzahl wird in dem ,,halben Biegewechsel" auf der Treibscheibe berücksichtigt (in Bild 2 mit ,,3" gekennzeichnet). Hier finden die Abminderungsfaktoren aus DIN 81-1, Anhang N ihre Anwendung.
Die bei der Berechnung der Biegewechsel eingesetzte Seilzugkraft hängt von der Anordnung des Fahrkorbs und des Gegengewichts ab. Die Seilkrafterhöhungen aus dem Schachtwirkungsgrad, der Beschleunigung, die Abschätzung der ungleichmäßigen Seilspannungen sind entsprechend einzusetzen. Zudem sollte der Förderablauf, d. h. die anteilige Beladung bekannt sein. Sollten keine besseren Erkenntnisse aus Beobachtungen etc. verfügbar sein, kann z. B. die Vorgabe der anteiligen Beladungen aus der VDI-Richtlinie 4707 für die Berechnung des Fahrtbedarfs herangezogen werden.
Erweiterung der Baumusterprüfbescheinigung G515 auf den Einfluss der Gegenbiegung
Durch die Baumusterprüfbescheinigung von Pfeifer DRAKO ist das Stahldrahtseil DRAKO 250T zugelassen für Aufzüge innerhalb und außerhalb der Anforderungen der EN 81-1. Der Sicherheitsfaktor Sf und/oder das Durchmesserverhältnis von Treib- bzw. Umlenkscheibe D/d können für die Seile von Pfeifer DRAKO von den Anforderungen der EN 81-1 abweichen. Liegt der Sicherheitsfaktor Sf innerhalb der Anforderungen der EN 81-1, Anhang N, liegt ein normkonformer Aufzug vor. Zusätzliche Maßnahmen für den Betrieb sind nicht notwendig. Liegt der Sicherheitsfaktor Sf außerhalb der Anforderungen der EN 81-1, Anhang N, liegt ein Aufzug mit ,,reduzierter Fahrtenzahl" vor. Zusätzliche Maßnahmen für den Betrieb wie z.B. ein sicherer Fahrtenzähler finden Anwendung.
Die zu erwartende Fahrtenzahl wird in G515 für den Fall, dass die höchstbeanspruchte Seilzone über die Treibscheibe und zwei Umlenkscheiben in gleichsinniger Biegung läuft(und zwar mit der auf der sicheren Seite betrachteten Biegelänge entsprechend 2 Stockwerkabständen) für verschiedene Durchmesserverhältnisse D/d und Sicherheitsfaktoren Sf nach verfügbaren Graphen abgeschätzt. Dabei sind ,,sortenreine D/d" und unterschiedliche D/d bei der Treib- und Umlenkscheibe betrachtet worden. Zwischenwerte können mit einer beigestellten Methode interpoliert werden. Der Gültigkeitsbereich der Baumusterprüfbescheinigung G515 ist in Tabelle 1 abschließend zusammengefasst.
Für den Fall der Gegenbiegung zwischen der Treib- und Umlenkscheibe wird nun auf der Basis der hier vorgestellten Erkenntnisse die Baumusterprüfbescheinigung G515 erweitert.
Zusammenfassung
Mit der Baumusterprüfbescheinigung G515 von Pfeifer DRAKO wird der Bereich der schwach und mäßig frequentierten Treibscheibenaufzüge hinsichtlich der Zulassung durch eine notifizierte Stelle erstmals abgedeckt. Der Bereich z.B. der Nachrüstung mit unvermeidlichen Gegenbiegungen der Seile wird auf der Basis der Baumusterprüfbescheinigung G515 von Pfeifer DRAKO und der hier vorgestellten Erkenntnisse zur Handhabung der Gegenbiegung bei der Lebensdauerbetrachtung der Stahldrahtseile zukünftig durch eine allgemeine Zulassung geregelt.
Literatur
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Fey 2000 Feyrer, K.;
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Drahtseile. Bemessung, Betrieb, Sicherheit. SpringerVerlag 2000
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FeyJah1991 Feyrer, K; Jahne, K.
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Seillebensdauer bei Gegenbiegung. DRAHT 42 (1991) 6, S. 433438
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Mül1961 Müller, H.
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Das Verhalten der Drahtseile bei Wechselbiegung. Drahtwelt 47 (1961) 3, S. 193201 und dhf 8 (1962) 2, S. 4952
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Jeh1985 Jehmlich, G.;
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Anwendung und Überwachung von Drahtseilen. Berlin: VEB Verlag Technik 1985
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VogScheu2010 Vogel, W.; Scheunemann, W.
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Auslegung von Seiltrieben in Treibscheibenaufzügen außerhalb der EN 81-1 (Baumusterprüfbescheinigung G515). Lift-Report 1/2010, S. 46
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DIN 15 020
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Hebezeuge. Grundsätze für Seiltriebe, Berechnung und Ausführung. 197402
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EN 81-1
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Sicherheitsregeln für die Konstruktion und den Einbau von Aufzügen. Teil 1: Elektrisch betriebene Personen- und Lastenaufzüge, Dt. Fsg. 1998
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OIPECC
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recommendation1-6 OIPEEC Bulletin 56, Torino 11/1988
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VDI 4707
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Aufzüge Energieeffizienz (Lifts Energyefficiency). VDI-Richtlinie März/march 2009
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G515
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Baumusterprüfbescheinigung G515 Seiltrieb zur Verwendung als Teil des Triebwerks für Treibscheibenaufzüge mit und ohne verringerte Fahrtenzahl vom 21. 08. 2009 (ausgestellt von TÜV Süd Industrie Service GmbH Zentralbereich Fördertechnik Sonderbauten/Abt. Aufzüge und Sicherheitsbauteile Filderstadt)
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