TU Chemnitz, Professur Fördertechnik: Fakultät für Maschinenbau: Institut für Fördertechnik und Kunststoffe: Professur Fördertechnik: Stiftungsprofessur Technische Textilien - Textile Maschinenelemente:

Dimensionierung laufender Seile aus HM-HT-Fasern

Die Abschätzung der Lebensdauer und damit die passgenaue Dimensionierung textiler Zugmittel gestalten sich insbesondere bei dynamischen Anwendungen schwieriger als bei den artverwandten metallischen Seilen und Ketten. Dies begründet sich u.a. in einem ausgeprägteren viskoelastischen bzw. viskoplastischen Materialverhalten der Polymerwerkstoffe. Dabei führt die von Dehnrate und Temperatur abhängige Energiedissipation zu verzögertem Reaktionsverhalten und zur Erwärmung des Maschinenelementes. Des Weiteren können Kollektive aus mechanischer Belastung, Einwirkdauer / -form und Temperatur Kriechvorgänge initiieren. Die resultierenden irreversiblen Verformungen beschränken dabei die Funktionalität des Zugmittels und führen zu einer signifikanten Abnahme der Gebrauchseigenschaften, wie Zugfestigkeit, Querstabilität und Maßhaltigkeit.

So verbietet das nichtlineare Materialverhalten der HM-HT-Fasern eine hinreichend genaue Beschreibung mit den klassischen Methoden der Drahtseile und metallischen Werkstoffe, einer in der Vergangenheit leider gängigen Praxis im Umgang mit Faserwerkstoffen.

Wegen darin begründeter Untersuchungsdefizite und häufig unzureichender Angaben zu Prüfverfahren, Prüfbedingungen und Kennwertstreuung veröffentlichter Eigenschaftskennwerte, werden mit hiesiger Labortechnik DSC- (Differential Scanning Calorimetry), DMA- (Dynamic Mechanical Analyses), klimatisierte Zug- und Faser-/Faserreibungsversuche an HM-HT-Fasern durchgeführt.

Diese dienen u.a. der Bestimmung

• transversal isotroper Steifigkeitskennwerte
• innerer und äußerer Dämpfung
• der Abrasionsfestigkeit und
• thermischer Eigenschaften bzw. Kausalitäten.

Diese könne wiederum für eine optimierte Zugmittelanalyse und -konstruktion herangezogen werden. Über phänomenologische Modelle lassen sich im Weiteren zeit- und temperaturabhängige Spannungs- sowie Dehnungsverläufe der Filamente, Garne und Zugmittel modellieren und einer weiteren Verwendung in Lebensdauergleichungen zuführen.

Darüber hinaus müssen die ausgeprägten anisotropen Fasereigenschaften eine besondere Berücksichtigung in der Seilkonstruktion finden, da der beim Lauf über Scheiben und Trommeln erforderliche helixförmige Seilaufbau durch die 10-15fach niedrigeren Transversalmodule u.a. zu einer beträchtlichen Abnahme der Zugfestigkeit sowie einer übermäßigen Deformation an der Seilscheibe führen. So werden an der TUC verschiedene Seilbeschichtungen und Stützkonstruktionen entwickelt und erprobt, die diese grundlegenden Defizite beheben sollen.

Neben Viskoelastizität und Anisotropie besteht eine weitere Besonderheit der textilen Zugmittel in den gegenüber Stahldrähten erheblich kleineren Filamentdurchmessern (ca. 10-30 µm). Diese bewirken einerseits Zerfaserungen an den Reibstellen, höhere Füllfaktoren der Zugmittelkörper sowie geringere Knickfestigkeiten, jedoch andererseits außerordentlich gute Biegewilligkeit und Pressungsverteilung und ermöglichen so neben den konventionellen gedrehten Seilkonstruktionen auch geflochtene Macharten. Das Seilgeflecht ist somit ein Alleinstellungsmerkmal textiler Zugmittel, das einerseits durch Überkreuzungsstellen festigkeitsmindernd wirkt, jedoch andererseits Drehungsfreiheit und einen stabileren Seilverbund als gedrehte Seile bietet und so seine systematische Untersuchung motiviert hat.

An eigens dafür entwickelten Biegeprüfständen wurden Versuche gefahren, die Aufschluss über das dynamische Verhalten laufender Seilgeflechte geben sollen. Dabei können verschiedenste Betriebsparameter wie Seilzugkraft, Biegelänge/-form und Umschlingung berücksichtigt und die einzelnen Schädigungsmechanismen wie Verschleiß durch Faser-Relativbewegungen, Oberflächenverschleiß, Faserknickung, Wärmestau und Kriechneigung beschrieben werden.

Der Standard-Dauerbiegeversuch wird an sogenannten Doppelbiegeprüfständen durchgeführt, bei dem das Seil unter Einwirkung einer Zugkraft über eine Prüfscheibe hin- und her gebogen wird, bis eine oder mehrere Litzen gebrochen sind. Bei einem zweiten für Faserseile bisweilen ungebräuchlichen Versuch, wird die bidirektionale Biegung, wie sie in Kränen und Aufzugsanlagen auftreten kann, untersucht. Dabei wird das Seil nicht über eine, sondern gleich mehrere mäanderförmig angeordnete Prüfscheiben gebogen.

Schädigungsmechanismen und Systemparameter

In der Grafik sind die für Faserseile dominierenden Schädigungsmechanismen und deren Systemparameter sowie deren Untersuchungsstand aufgeführt. Insgesamt ist der Untersuchungsstand der HM-HT-Faserseile noch immer unbefriedigend, weshalb u.a. Untersuchungen zum Einfluss der Geschwindigkeit, Art der Biegung, der Flechtlänge und Rillengeometrie von Technora-, Vectran- und Dyneema-Seilen durchgeführt werden.