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Forschungsgruppe Textile Maschinenelemente
Forschung

Forschungsschwerpunkte

Technologien
FlechtenWeben

Geflochtene Seile entstehen durch das Verkreuzen von Litzen. Beim Flechten sind verschiedene Geometrien herstellbar (z. B. Rund- 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.

Beim Weben entstehen gurt­ähn­li­che Strukturen, die ein breites Einsatzspektrum im Bereich der Maschinenelemente erlauben. Dabei ist es möglich, hochfeste Zugträger in die textile Struktur einzubringen. Die Grundstruktur kann dabei eine Kraft­einleitungs- und Schutzfunktion übernehmen.

Einstellen der Eigenschaften von Seilen durch:
  • Kombination unterschiedlicher Faserstoffe,
  • Herstellungs- und Beschichtungsparameter,
  • Einarbeitung medienleitender Elemente,
  • Integration von Sensorik.
Veredlung

Je nach Anwendung er­ge­ben sich spezielle Anforderungen (mechanisch, physikalisch, chemisch, etc.) an die Ober­flächen der hochfesten Zug- und Tragmittel, die im An­lie­fe­rungs-zustand nicht oder nur teilweise erbracht werden. Das Beschichten bietet dabei eine effektive Möglichkeit, die Oberfläche von Seilen oder Bändern entsprechend anzupassen und vor schädlichen Einflüssen der Umgebung zu schützen.

Das Erzeugen von dünnen Ummantelungen kann dem Eindringen von Fremdkörpern und Verschmutzungen entgegenwirken und damit einem vorzeitigen Ausfall durch abrasive Einwirkung von Fremdkörpern verhindern.

Forschungsschwerpunkte sind unter anderem:

  • Einflüsse der Beschichtungsparameter (Temperatur, Geschwindigkeit, etc.) auf Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Biege- und Biegewechselfestigkeit
  • 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 (UV-Beständigkeit, Schutz vor Fremdkörpern, etc.)
  • Möglichkeiten zur Steigerung der Festigkeit mittels Thermofixierung
  • Entgegenwirken des Verlusts der Festigkeit durch Wasseraufnahme oder Hydrolyse im maritimen Einsatz (wasserabweisende Beschichtung)
  • Entwicklung von textilen Zug- und Tragmitteln mit flammhemmenden oder selbstverlöschenden Beschichtungen
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 Ener­gie-dissipation 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.

Aktuell fehlen (Langzeit-)Un­ter­su­chungen und teilweise An­ga­ben zu Prüfverfahren, Prüfbedingungen und der Kenn­wert­streu­ung veröffentlichter Eigenschaftskennwerte von Hochleistungsseilen.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.

Aufzugstechnik

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.

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.