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Arbeitsgruppe Textile Maschinenelemente
Forschung

Forschung

Textile Technologien

Ziel der Arbeitsgruppe ist es, leistungsfähige textilbasierte Zug- und Tragmittel zu entwickeln. Geeignete Technologien sind ins­be­sondere das Flechten und das Bandweben.

Geflochtene Seile entstehen durch das Verkreuzen von Litzen. Die Abbildung verdeutlicht dieses Prinzip

Beim Flechten sind verschiedene Geometrien herstellbar, beispielsweise, Rundgeflechte oder Qua­drat­ge­flech­te. Für Textile Maschinenelemente sind insbesondere Kern-Mantel-Konstruktionen, bei denen das Kern­ele­ment die Belastung entlang der Seilachse und der Mantel die Belastung quer zu dieser Richtung auf­nimmt, von Bedeutung.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Zug- und Tragmitteln ist das Weben. Dabei entstehen gurt­ähn­li­che Strukturen, die ein breites Einsatzspektrum im Bereich der Maschinenelemente erlauben.

Beim Weben ist es möglich, hochfeste Zugträger in die textile Struktur einzubringen. Die Grundstruktur kann dabei eine Kraft­einleitungs- und Schutzfunktion übernehmen. Durch die Kombination unterschiedlicher Faser­stof­fe, Herstellungs- und Be­schich­tungsparameter können vorteilhafte Eigenschaften erzielt werden. Möglich ist ebenfalls die Einarbeitung medienleitender Elemente, so dass die Mehrfachfunktionalitäten re­ali­sier­bar sind.

Sowohl beim Weben als auch beim Flechten stellen die Verarbeitung innovativer Materialien, die Kom­bi­na­tion unter­schied­licher Strukturelemente und die Überwachung des Herstellungsprozesses jeweils neue He­raus­for­de­run­gen dar.

Im Zusammenhang mit der technologischen Weiterentwicklung steht in der Regel auch die Entwicklung oder Anpassung von Tests und Prüfverfahren.

Veredlungsprozesse

Maschinenelemente aus synthetischen Fasern gewinnen in technischen Anwendungen an Bedeutung. Aufgrund ihrer geringen Dichte bei hoher Festigkeit, werden sie immer häufiger in Anwendungen zum Befördern von Lasten, Gütern und Personen eingesetzt. Je nach Anwendung er­ge­ben sich dabei spezielle Anforderungen an die Ober­flächen, die im An­lie­fe­rungs­zustand nicht oder nur teilweise erbracht werden. Dies ist vor allem in den mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der Kunst­stoffe begründet.

Das Beschichten bietet eine effektive Möglichkeit, die Oberfläche von Seilen oder Bändern an spezielle Anforderungen anzupassen und vor schädlichen Einflüssen der Umgebung zu schützen, sodass die Funktion optimal und möglichst lange erfüllt werden kann. Eigenschaften wie Haftreibungskoeffizient oder auch die UV-Beständigkeit können mit geeigneten Beschichtungen beeinflusst werden. Das Erzeugen von dünnen Ummantelungen kann dem Eindringen von Fremdkörpern und Verschmutzungen entgegenwirken und damit einem vorzeitigen Ausfall durch abrasive Einwirkung von Fremdkörpern verhindern. Weiterhin können Maschinenelemente mit Beschichtungen wasser­ab­wei­send ausgerüstet werden, was vor allem im maritimen Einsatz einem Verlust der Festigkeit durch Wasseraufnahme oder Hydrolyse entgegenwirkt. Flammhemmende oder selbstverlöschende Beschichtungswerkstoffe ermöglichen auch den Einsatz in feuergefährdeten Bereichen.

Weitgehend ungeklärt sind bisher die Einflüsse verschiedener Parameter, die während des Beschichtens auf die Hoch­leistungs­faserstoffe einwirken und wie stark diese Einflüsse bei welchem Faserstoff sind. Als wichtigster Parameter gilt dabei die Temperatur im Trockner, da zu hohe Temperaturen den Faserstoff nachhaltig schädigen können. Untersucht werden müs­sen aber auch die Auswirkungen von Beschichtungswerkstoffen auf die Zugfestigkeit, Biege- und Biegewechselfestigkeit.

Ein weiteres, großes Problem ist die Haftung der Beschichtung an den Faserstoffen, die aufgrund ihrer chemischen Zu­sam­mensetzung einer rein adhäsiven Anhaftung oft sehr stark entgegenwirken. Hier sind Haftvermittler auf ihre Eignung zu unter­suchen, eine Haftung zwischen dem Faserstoff und dem Beschichtungswerkstoff in einer für den Einsatzfall angemessenen Art und Weise herzustellen.

Forschungsschwerpunkte sind unter anderem:

  • Einflüsse der Beschichtungsparameter auf Festigkeitskennwerte
  • Einfluss von Haftvermittlern auf Festigkeit und Biegewechselfestigkeit
  • Beschichtungen zum Vermeiden von Reibung im Seilinneren
  • Verbesserung der Haftreibungseigenschaften der Oberflächen gegen Stahl
  • Möglichkeiten zum Schutz der textilen Maschinenelemente vor Umwelteinflüssen
  • Möglichkeiten zur Steigerung der Festigkeit mittels Thermofixierung
Endverbindungen

Maschinenelemente aus hochfesten synthetischen Fasern, gewinnen aufgrund ihres Leichtbaupotenziales an Bedeutung. Die Entwicklung geeigneter Endverbindungen stellt dabei ein wesentliches Forschungsfeld dar. Die Anforderungen an solche Konstruktionen sind hoch. Unter Anderem müssen Endverbindungen sowohl statische als auch dynamische Kräfte übertragen, die gleiche Temperaturstabilität wie das Aus­gangs­ma­te­ri­al und die geforderten Freiheitsgrade aufweisen. Dem gegenüber stehen an­wen­dungs­be­zo­ge­ne Restriktionen. Die Verbindung sollte mit geringem Aufwand montier- und demontierbar gestaltet und zu­dem noch leicht, kompakt und kostengünstig sein.

Verbindungsmechanismen aus dem Drahtseilsektor können aufgrund der höheren Knick- und Druck­em­pfind­lich­keit von Fasern nicht ohne weiteres auf die textilen Maschinenelemente übertragen werden. Einen möglichen Ansatz bildet die biologische Lösung der Verbindung Sehne - Knochen. Dabei wird mittels Adap­tie­rung die Verbindung eines niedermoduligen Werkstoffes (Sehne) mit einem hochmoduligen Werkstoff (Knochen) fokussiert und über ein bionisches Konzept in die Technik und damit speziell auf Anwendungen im Maschinenbau übertragen.

In Abhängigkeit vom Anforderungsprofil werden lösbare und nicht lösbare End­ver­bin­dun­gen hinsichtlich ihrer Eignung für textile Maschinenelemente grundlegend untersucht.

Prüfung und Dimensionierung

Die Abschätzung der Lebensdauer und damit die pass­ge­naue Di­men­sio­nierung textiler Zugmittel gestalten sich insbesondere bei dynamischen An­wen­dungen schwieriger als bei metallischen Zugmitteln. Gründe dafür sind u. a. das viskoelastische bzw. viskoplastische 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 und thermischer Belastung Kriechvorgänge initiieren. Die resultierenden ir­re­versiblen Ver­for­mun­gen beschränken dabei die Funktionalität des Zug­mittels und führen zu einer Verschlechterung der Ge­brauchs­eigen­schaf­ten wie Zugfestigkeit, Querstabilität und Maßhaltigkeit.

Das anisotrope und nichtlineare Materialverhalten textiler Fasern erlaubt keine hinreichend genaue Be­schrei­bung mit den klassischen Methoden metallischer Werkstoffe. Elementare Untersuchungen, insbesondere zu den erst in den letzten Jahr­zehnten entwickelten HM-HT-Fasern fehlen bislang. Aufgrund dieser Un­ter­su­chungs­de­fi­zi­te und häufig unzureichender An­ga­ben zu Prüfverfahren, Prüfbedingungen und der Kenn­wert­streu­ung veröffentlichter Eigenschaftskennwerte, werden grund­le­gen­de Un­ter­suchun­gen durchgeführt. Diese dienen u. a. der Bestimmung

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

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

Eine Besonderheit textiler Faserstoffe besteht in den gegenüber Stahldrähten erheblich kleineren Fi­la­ment­durch­mes­sern (ca. 10-30 µm). Diese bewirken einerseits Zerfaserungen an den Reibstellen sowie geringere Knick­festigkeiten, jedoch an­de­rer­seits außerordentlich gute Biegewilligkeit und Pressungsverteilung.

An Dauerbiegemaschinen wurden zahlreiche Versuche gefahren, die Aufschluss über das dynamische Ver­hal­ten textiler Maschinenelemente geben. Dabei werden verschiedenste Betriebsparameter wie Seilzugkraft, Biegelänge/-form und Um­schlin­gung berücksichtigt und die einzelnen Schädigungsmechanismen wie Ver­schleiß durch Faser-Relativbewegungen, Ober­flächen­verschleiß, Faserknickung, Wärmestau und Kriech­nei­gung beschrieben.

Weiterführende Arbeiten sollen die Entwicklung von Normen und Prüfvorschriften für textile Ma­schi­nen­ele­men­te ermöglichen. Das Fehlen derartiger Bestimmungen stellt noch immer ein Hindernis für einen groß­flächigen Einsatz dynamisch be­an­spruch­ter textiler Zugmittel dar.

Treibfähigkeit

Treibscheibenantriebe finden größtenteils Anwendung in Aufzügen und Schachtförderanlagen im Bergbau. Die An­wen­dungs­felder des Treibscheibenkonzeptes verbreiterten sich in letzter Zeit durch energieeffizientes Denken und Gestalten moderner För­der­systeme. So gibt es z.B. Überlegungen, solche Antriebe in Ver­bin­dung mit leichteren Tragmitteln ebenfalls in Re­gal­be­dien­geräten einzusetzen.

Das Ziel der durchzuführenden Arbeiten ist es, die Anwendbarkeit hochfester synthetischer Faserseile in Treib­schei­ben­an­trie­ben zu ermöglichen und dabei die Übertragbarkeit der Auslegungsvorschriften für Stahlseile zu überprüfen. Dazu ist ausgehend vom Eytelweinschen Modell der Umschlingungsreibung ein Versuchsstandkonzept realisiert worden, bei dem sich der Reibwert rechnerisch aus dem Verhältnis der Kräfte und dem Umschlingungswinkel ermitteln lässt.

Forschungsschwerpunkte sind u.a. der Einfluss der Rillengeometrie der Treibscheiben, die Optimierung von Ma­te­ri­al­paa­run­gen, die Ermittlung der optimalen Durchmesserverhältnisse von Seil und Rille sowie die Be­trach­tung der Wechselwirkung von Reibwert und Seilovalisierung.

Einsatz von Faserseilen im Aufzug

Hinsichtlich des Seilwerkstoffes sind größere Förderlängen bzw. Förder­kapazitäten nur zu erreichen, indem die Zugfestigkeit weiter gesteigert und / oder die Werk­stoff­mas­se deutlich reduziert wird. Diese beiden Möglichkeiten sind je­doch bei den Stahldrahtseilen bereits ausgeschöpft, da ihre Zug­festig­keit praktisch nicht weiter gesteigert und ihre Eigenmasse nicht ver­rin­gert werden kann. Im Gegensatz dazu bedienen moderne Faserseile beide Forderungen. Sie bestehen aus hochfesten, hochmoduligen Polymerfasern, die gegenüber Stahldrahtseilen bei vergleichbarer Zugfestigkeit ein 5- bis 6-fach geringeres Tragmittelgewicht besitzen.

Damit sind wesentlich größere Förderhöhen realisierbar, so dass Reihenschaltungen von Aufzügen ent­fal­len. Alternativ ist eine Vergrößerung der Förderkapazitäten möglich. Durch Verringerung von Montagezeiten und eine längere Gebrauchsdauer der Seile sind weitere vorteilhafte Effekte zu verzeichnen.

In dem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Aufzugsfirma Brobeil wurden in ei­nem Versuchsaufzug textile Tragmittel in­stal­liert und einem zehnmonatigen Langzeitversuch unterzogen.

Die Tragmittel wurden von Wissenschaftlern der TU Chemnitz entwickelt. Sie bestehen aus hochfesten syn­thetischen Fa­ser­strän­gen in geflochtener Machart. Der Funktionsnachweis erfolgte bei statischer Belastung unter Volllast. Das neue Tragmittel zeichnet sich im praxisnahen Fahrbetrieb durch einen ruhigen Lauf und eine hohe Resonanzfrequenz aus. Folglich wird ein Aufschwingen der Seile, wie es von konventionellen Stahl­draht­sei­len bekannt ist, deutlich reduziert. Weiterhin erfordert das Auflegen der neuen Tragmittel, auf Grund des geringeren Seilgewichtes und einer deutlich geringeren Biegesteifigkeit, nur rund ein Viertel der Mon­ta­ge­zeit im Vergleich zu herkömmlichen Stahldrahtseilen.

Schachtfördertechnik

Wachsender Rohstoffbedarf auf der einen Seite und zunehmend abgebaute Lagerstätten führen zum Be­trieb bereits existierende Bergwerke in immer größeren Teufen. Herkömmliche, mit Stahldrahtseilen be­trie­be­ne, Schachtförderanlagen stoßen dabei zunehmend an ihre Einsatzgrenzen bzw. können nur mit einer ver­min­der­ten Förderkapazität betrieben werden. Förderlängen von 3000 m und mehr, wie sie beispielsweise in südafrikanischen Bergwerken vorkommen, sind mit Stahlseilen nur möglich, weil die südafrikanische Norm einen deutlich reduzierten Sicherheitsfaktor zulässt.

Seile aus synthetischen Hochleistungsfasern können einen wichtigen Beitrag zur Lösung dieser Problematik leisten. Die Belastungsszenarien im Montanwesen stellen jedoch eine Herausforderung dar. Die Einwirkung von Stäuben, Schlämmen oder kontaminierten Flüssigkeiten sind neben den mechanischen Be­an­spru­chun­gen zu berücksichtigen. Zudem unterscheiden sich die Szenarien deutlich in Abhängigkeit vom abgebauten Roh­stoff. Im salinaren Umfeld ist die Luftfeuchtigkeit beispielsweise sehr gering, während im Erzbergwerk mit hoher Luftfeuchtigkeit zu rechnen ist.

Zur Untersuchung des Verhaltens von Faserseilen unter den Bedingungen des Bergbaus werden derzeit Prüf­fel­der unter Tage eingerichtet. Um ein möglichst breites Spektrum an Umgebungsbedingungen abbilden zu können, wird ein Prüffeld in einem Kali- und Salzbergwerk im nordthüringischen Bleicherode und eines im Forschungs- und Lehrbergwerk der TU Bergakademie in Freiberg aufgebaut. Neben der Installation von Sen­so­rik zur Erfassung der Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftdruck und relativer Luftfeuchte sollen in einem ersten Schritt Dauerbiegewechselprüfstände zur Ermittlung der Biegewechselfestigkeit als we­sent­lich­sten Parameter der Lebensdauer und Kriechprüfstände in Betrieb genommen werden. In einem nächsten Schritt ist der Aufbau von Winden- bzw. Treibscheibenprüfständen denkbar. In Bleicherode steht hier­für eine Schachtröhre mit 100 m Prüflänge, die bei Bedarf auf 600 m erweitert werden kann, zur Verfügung.