Plastic-coated wire ropes: experimental, numerical and analytical studies on lifetime

Kunststoffummantelte Drahtseile zeichnen sich in der Praxis durch eine deutlich höhere Lebensdauer als konventionelle Drahtseile aus. Die Kriterien zum Wechsel geschädigter konventioneller Drahtseile sind in Normen für die entsprechende Gestaltungsstruktur des Seiles und des Seiltriebs festgelegt – für ummantelte Seile gibt es keine Standards. Wie die Normen zur Bestimmung der Ablegereife besitzen auch rechnerische Methoden zur Abschätzung der Lebensdauer keine Ansätze für kunststoffummantelte Drahtseile. In diesem Beitrag werden die experimentellen, numerischen und analytischen Untersuchungen zum Schädigungsverhalten des Drahtseiles bei zusätzlicher Kunststoffummantelung für eine gängige Seilkonstruktion vorgestellt sowie deren Berücksichtigung in der analytischen Lebensdauerabschätzung. Experimentelle Dauerbiegeversuche dienten zur praktischen Ermittlung der Lebensdauer bei unterschiedlichen D/d-Verhältnissen und Lasten. Die Beanspruchungen der Seildrähte, insbesondere die Druckbeanspruchung beim Lauf über Seilscheiben, wurden mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht. Das Belastungsszenario eines laufenden Drahtseiles beim Rollübergang über eine Seilscheibe wurde unter Verwendung der experimentell genutzten Parameter simuliert. Der Betrachtungsschwerpunkt lag hierbei auf der Änderung der Verteilung der Druckspannung in den Außendrähten der Seilkonstruktion infolge der Ummantelung. Durch die Erkenntnisse zur Druckspannungsverteilung in ummantelten Seilen aus den FE-Simulationen sowie durch die Ergebnisse der Dauerbiegeversuche wurde die Reduzierung der Druckspannung rechnerisch in eine Abschätzungsmethode eingepflegt. Es wurden Dauerbiegeversuche mit drei Seilvarianten durchgeführt. Dabei wurde die Lebensdauer der konventionellen Drahtseile mit der Lebensdauer der kunststoffummantelten Seile verglichen, um den Einfluss der Ummantelung auf den Lebensdauerzugewinn durch erreichbare Biegewechsel experimentell zu bestimmen. Die numerischen Ergebnisse der Druckspannung konnten in den analytischen Ansatz der Lebensdauerabschätzung integriert werden und wurden durch die Versuchsdaten validiert. Im Beitrag wird gezeigt, dass eine zusätzliche Kunststoffummantelung des Drahtseiles einen erheblichen Lebensdauerzugewinn generiert. Im praktischen Einsatz kann so die Wirtschaftlichkeit von Anwendungen deutlich gesteigert werden.Plastic-coated wire ropes are characterised by a significantly longer lifetime than conventional wire ropes. The criteria for changing damaged conventional wire ropes are defined in standards for the corresponding design structure of the rope and the rope drive. There are no standards for coated ropes. Similar to the standards for the determination of discard state, theoretical methods for the estimation of lifetime do not have any approaches for plastic-coated wire ropes. This paper presents the experimental, numerical and analytical studies on the damage behaviour of the wire rope with additional plastic coating for an established rope construction as well as their consideration in the analytical lifetime estimation. Experimental bending fatigue tests were used to determine the lifetime at different D/d-ratios and loads. The stresses on the rope wires, in particular the compressive stress when running over sheaves, were investigated using the finite-element-method (FEM). The load case of a running wire rope during the roll-over of a sheave was simulated using the experimentally used parameters. The focus here was on the change in the distribution of the compressive stress in the outer wires of the rope construction as a result of the coating. Based on the findings on the distribution of compressive stress in coated ropes from the FE-simulations and the results of the bending fatigue tests, the reduction of the compressive stress was integrated into an estimation method. Bending fatigue tests were performed with three rope variants. The lifetime of the conventional wire ropes was compared with the lifetime of the plastic-coated ropes in order to experimentally determine the influence of the coating on the increase in lifetime due to achievable bending cycles. The numerical results of the compressive stress could be integrated into the analytical approach of the lifetime estimation and were validated by the test data. The paper shows that an additional plastic coating of the wire rope generates a considerable increase in lifetime. In practical use, this can significantly increase the economic efficiency of applications