Analysis of the lifetime of hoisting ropes in multilayer spooling

In vielen fördertechnischen Anwendungen wie bei Mobil- und Turmdrehkranen werden mehrlagig bewickelte Seiltrommeln eingesetzt. Bei der mehrlagigen Bewicklung sind die Seile im Vergleich zum einlagigen Seiltrieb einer erheblich höheren mechanischen Beanspruchung ausgesetzt. Die Seillebensdauer ist deshalb in der Mehrlagenwicklung erheblich reduziert. Diese Minderung der Seillebensdauer durch die Mehrlagenwicklung ist bisher nur ansatzweise untersucht. Wegen der für die praktischen Anwendungen fehlenden Berechnungsmöglichkeiten sind Seil-, Kran- und Windenhersteller gezwungen, mit hohen Sicherheitsfaktoren und strengen Ablegekriterien für Hubseile in der Mehrlagenwicklung zu arbeiten. Hieraus ergeben sich deutliche wirtschaftliche und sicherheitstechnische Nachteile. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst der heutige Kenntnisstand in den relevanten Bereichen der Seil- und Hubwerkstechnik dargestellt. Davon ausgehend erfolgt eine ausführliche Betrachtung der für die Mehrlagenwicklung entscheidenden Schädigungsmechanismen und deren Einflusses auf die Seillebensdauer in theoretischer, experimenteller und analytischer Hinsicht. Zur Verifizierung der Betrachtungen werden breit angelegte Versuchsreihen beschrieben, die der Quantifizierung des Einflusses der wichtigsten Schädigungsparameter in der Mehrlagenwicklung sowie der Untersuchung seilspezifischer Einflussparameter dienen. Als Ergebnis der Versuchsauswertungen wird unter Berücksichtigung der geschaffenen Datenbasis eine allgemeingültige, in dieser Form bisher nicht vorliegende Lebensdauergleichung für Seile in der Mehrlagenwicklung vorgestellt, mit der erstmals die Lebensdauer von Hubseilen in der Mehrlagenwicklung mit hoher Sicherheit berechnet werden kann. Zu Beginn der Forschungstätigkeiten war der Rückgang der Seillebensdauer durch die Effekte der Mehrlagenwicklung vorsichtig auf ca. ein Drittel im Vergleich zum einlagigen Lauf über Scheiben eingeschätzt worden. Tatsächlich kann durch die jetzt vorliegenden Ergebnisse eine deutlich höhere Lebensdauerabnahme auf ca. 3 bis 10 % im Vergleich zur Rundrille nachgewiesen werden. Damit sind durch die Ergebnisse der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen erstmals wesentliche Grundlagen für das Verständnis der zur Seilschädigung führenden Abläufe in der Mehrlagenwicklung geschaffen worden. Zudem liegt jetzt durch die beschriebene Lebensdauergleichung ein wichtiges Werkzeug für die Auslegung von Seilen und Seiltrieben mit Mehrlagenwicklung vor.In many applications of lifting technology, as e.g. in mobile and tower cranes and in the offshore field, multilayer spooled hoisting drums are used. Compared to ropes running over sheaves in multilayer spooling the ropes are exposed to a much higher mechanical wear which causes a remarkable reduction of the rope lifetime. Before starting the examination this reduction was rated by experts as one third. In fact the results of the research works „multilayer spooling“ at the IFT showed a much higher reduction of lifetime to only 3 up to 10 % compared to the round groove. In crane construction lacking methods of calculation for the design of hoisting ropes in multilayer spooling mean that higher design factors and severe discard criterias have to be applied. As consequence this leads to economical disadvantages by using higher rope and drum diameters, and therefore larger gear and drive units and lower admitted working times. In this thesis at first today’s state of knowledge in the relevant fields of rope and winch technology is presented comprehensively. Based on this the damage mecha-nisms which are decisive for multilayer spooling and their influence on the rope life-time are viewed theoretically, experimentally and analytically. In order to verify the theoretical considerations one first comprehensive series of tests is described, the results of which delivering an equation for the calculation of rope lifetime, specific for each of the examined test ropes. Based on this a second examination has been per-formed in order to find out the specific characteristics of the individual ropes by evaluating additional rope parameters. As a result of the evaluation of the tests and taking the new test into consideration data a general equation for the rope lifetime is introduced which has not yet been available in this form. For the first time ever this equation allows a highly reliable prediction of the rope lifetime in multilayer spooling. The results of all of the examinations carried out within this thesis offer an essential basis for the understanding of the proceedings leading to rope damage in multilayer spooling. Additionally by the described endurance formula an important tool for the construction of ropes for and rope drives with multilayer spooling has been created