Analyse des Seilversagens von Brückenkränen und Faktoren, die die Lebensdauer beeinflussen

Drahtseile gehören zu den am häufigsten verwendeten Hebezeugkomponenten. Sie zeichnen sich durch hohe Tragfähigkeit, gute Flexibilität, reibungslose Bewegung und geringe Geräuschentwicklung aus. Nahezu alle Brückenkrane nutzen Drahtseile zum Lastentragen. Reißt ein Drahtseil aufgrund eines Defekts, können die Folgen schwerwiegend sein. Die Schadensanalyse von Drahtseilen ist daher sowohl aus Sicherheits- als auch aus wirtschaftlichen Gründen wichtig. Dieser Artikel analysiert die verschiedenen Faktoren, die zum Versagen von Drahtseilen an Brückenkranen führen, um deren Lebensdauer zu verlängern.

1. Festigkeit und Dehnung von Drahtseilen bei Brückenkränen

Konstruktionsbedingt ist die maximale Bruchfestigkeit eines Drahtseils geringer als die Bündelfestigkeit aller einzelnen Drähte. Sie hängt von der Seilkonstruktion und der Leistungsklasse der einzelnen Drähte ab. Bei der Auslegung eines Drahtseils müssen alle Lastfaktoren berücksichtigt werden, darunter Zusatzlasten, Beschleunigung, Verzögerung, Seilgeschwindigkeit und weitere Faktoren. Auch die Anzahl, die Anordnung und die Montageart der Seilscheiben und der Trommel sowie korrosions- und verschleißbedingte Bedingungen und die Seillänge sind zu beachten.

Die Drähte eines Drahtseils bestehen üblicherweise aus hochwertigem Baustahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,51–0,81 T/T. Der Elastizitätsmodul des Drahtseils beträgt etwa 1,6 × 10⁵ N/mm². Dieser Modul beschreibt das Ausmaß der Dehnung der Drähte unter Belastung.

Wird ein Drahtseil belastet, bewegen sich seine Drähte relativ zueinander, um eine der Belastung entsprechende stabile Position einzunehmen. Dies führt zu zwei Arten von Dehnung. Beim erstmaligen Tragen einer Last ordnen sich die Drähte geringfügig neu an und verursachen eine bleibende Dehnung, die als Konstruktionsdehnung bezeichnet wird. Gleichzeitig tritt auch eine reversible Dehnung auf, die als elastische Dehnung bekannt ist. Die Konstruktionsdehnung hängt unter anderem von der Größe der aufgebrachten Last ab.

Je kleiner der Drahtdurchmesser eines Seils ist, desto geringer ist das zum Biegen erforderliche Biegemoment und desto flexibler ist das Seil. Drahtseile mit mehr Drähten und Faserkernseile weisen im Allgemeinen eine höhere Flexibilität auf. Vollmetallseile mit weniger Drähten sind weniger flexibel, während erstere in der Regel eine größere Dehnung aufweisen. Eine höhere Flexibilität bedeutet eine bessere Bruchfestigkeit.

2. Seilscheiben für Brückenkrane

Die Hauptscheibenabmessung wird im Allgemeinen durch den Scheibendurchmesser am Boden der Seilnut zuzüglich des Drahtseildurchmessers als minimalem Wicklungsdurchmesser angegeben. Kranscheibe Mit abnehmender Seillänge steigen die durch Biegung und Anpressdruck zwischen Drahtseil und Seilscheibe verursachten Spannungen. Je höher die Biegespannung, desto schneller ermüden die Drähte im Seil. Erhöhte Anpressspannung beschleunigt zudem die Beschädigung des Seils und den Verschleiß der Seilscheibe.

Mit zunehmender Größe der Seilscheibe sinkt der Druck zwischen Seil und Scheibe sowie die Biegung. Betrachtet man ausschließlich die Biegebeanspruchung, kann der Scheibendurchmesser für ein 6×19-Punktkontakt-Drahtseil auf das 90-fache des Seildurchmessers erhöht werden, um die Lebensdauer des Seils zu verlängern. Abgesehen von Spezialausrüstung werden Scheiben mit solch großem Durchmesser in der Praxis jedoch aus zwei Gründen selten verwendet:

1. Eine so große Seilscheibe ist für die meisten Hebezeuge unpraktisch.
2. Biegung ist selten der einzige Faktor, der bei einem Betriebsprozess auftritt.

In der Praxis beeinflussen neben der Biegung viele weitere Faktoren die Lebensdauer eines Seils, darunter wiederholte Belastung, Verschleiß, Verstemmung, Stöße, Vibrationen, Torsion, Drehzahl, falsches Aufwickeln auf der Trommel, Korrosion und unzureichende Wartung. Einer oder mehrere dieser Faktoren können einen größeren Einfluss auf die Lebensdauer des Seils haben als die Größe der Seilscheibe.

Die optimale Seilscheibengröße sollte unter Berücksichtigung von Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und weiteren Faktoren bestimmt werden. Der hohe Druck zwischen den Drähten an den Kontaktpunkten des Seils, kombiniert mit der hohen Biegespannung beim Überlaufen einer kleinen Seilscheibe, kann jedoch zu Seilschäden und -brüchen führen. Unter diesen ungünstigen Bedingungen kommt es häufig zu Drahtbrüchen zwischen den Kontaktpunkten benachbarter Litzen. Brüche an diesen Stellen sind durch äußere Inspektion oft schwer oder gar nicht zu erkennen.

Für Geräte mit anderen strengen Sicherheitsanforderungen sollten daher größere Seilscheiben gewählt werden, damit sich der Seilschädigungsprozess allmählicher entwickelt und die Beschädigung an der Seiloberfläche auftritt, wo sie leichter zu erkennen und zu beurteilen ist.

3. Seilnuten für Kranrollen

Für eine optimale Leistung eines Drahtseils muss die Seilnut der Seilscheibe einen ausreichend großen Durchmesser aufweisen, um ein angemessenes Spiel um das Seil zu gewährleisten. Der Durchmesser der Seilnut ist nicht konstant. Seine Veränderung hängt hauptsächlich vom Drahtseil und in großem Maße vom Material der Seilscheibe sowie der auf sie wirkenden Spannung ab.

Da sich die Nut kontinuierlich abnutzt, ist sie meist schon recht klein, wenn ein Drahtseil sich dem Ende seiner Nutzungsdauer nähert. Dies führt zu einem Problem: Bei jeder neuen Seilmontage müsste die Nut nachbearbeitet oder die Seilscheibe ausgetauscht werden. In der Praxis ist dies jedoch unwirtschaftlich.

Beim Nachbearbeiten einer Nut wird üblicherweise zuerst der Flansch repariert und anschließend der Nutgrund auf den passenden Durchmesser abgedreht. Wird nur der Nutgrund abgedreht, kann der Nutwinkel nahe dem Grund zu klein werden, um ausreichend Freiraum zu gewährleisten, was den Drahtseilverschleiß erheblich erhöht.

4. Seildruck bei Brückenkränen

Zusätzlich zur Biegebeanspruchung, die beim Überlaufen einer Seilscheibe entsteht, wirkt auf das Drahtseil durch den Kontakt mit der Scheibe ein Radialdruck. Dieser Druck erzeugt Scherspannungen im Seil, verändert dessen Konstruktion und beeinflusst den Verschleiß der Scheibennut. Daher sollten die Größe des Radialdrucks und die Verschleißfestigkeit des Scheibenmaterials bei der Auswahl der optimalen Drahtseilkonstruktion berücksichtigt werden.

5. Krantrommeln

Die Krantrommel Die Abmessungen, das Nutprofil und der Druck sind ähnlich wie die oben für Seilscheiben beschriebenen Bedingungen.

Bei einer Trommel mit glatter Oberfläche ist der tatsächliche Radialdruck relativ hoch, da das Drahtseil nur einseitig gestützt wird und sein Umfang ungestützt ist. Bei dieser Trommelart verschleißen sowohl Seil als auch Trommel stärker als bei einer gerillten Trommel, und das Seil wird durch den Druck leichter beschädigt.

Wenn die Biegebeanspruchung den größten Einfluss auf die Lebensdauer von Drahtseilen hat, kann der Trommeldurchmesser etwas kleiner sein als der Scheibendurchmesser. Das liegt daran, dass sich das Seil bei Bewegung in eine Richtung zweimal über jede Scheibe biegt, auf der Trommel jedoch nur einmal. Die erste Biegung erfolgt beim Annähern an eine Scheibe, wenn sich die gerade Linie der Krümmung der Scheibe anpasst. Die zweite Biegung erfolgt beim Verlassen der Scheibe, wenn sich das Seil wieder streckt.

In manchen Fällen ist der Seilweg kurz. Wenn sich ein Teil des Seils auf der Trommel hin und her bewegt, ohne über eine Seilscheibe zu laufen, verringert sich die Anzahl der Biegezyklen und der Verschleiß schreitet langsamer voran.

Bei Verwendung einer Trommel mit Rillen trägt ein geeignetes Rillenprofil dazu bei, das aufgewickelte Seil in der richtigen Position zu halten. Ein passender Rillenabstand ist wichtig, damit benachbarte Seilwicklungen ausreichend, aber nicht zu viel Abstand haben. Dadurch wird verhindert, dass das neu aufgewickelte Seil an dem bereits aufgewickelten Seil reibt oder sich daran reibt.

Bei mehrlagiger Wicklung muss der Abstand zwischen den Nutmittellinien so groß sein, dass sich die Drahtseile bei maximalem Wickelwinkel nicht berühren.

6. Weitere Ausfallfaktoren

1. Korrosion: Korrosion ist eine häufige Ursache für Drahtseilversagen. Die durch die Betriebsumgebung entstehende korrosive Atmosphäre kann die Lebensdauer des Seils erheblich beeinträchtigen.
2. Stoßbelastung und Vibration: Die Einwirkung von Stoßkräften auf ein Drahtseil in Kombination mit Vibrationen erzeugt hochfrequente, hohe Biegespannungen. Die Auswirkungen der Vibrationen sind am Seilende besonders stark und können zu Ermüdungsbrüchen führen.
3. Übermäßige Temperatur: Wenn ein Drahtseil bei übermäßig hohen Temperaturen betrieben wird, kann es versagen, da seine Zugfestigkeit abnimmt.

Die obige Fehleranalyse zeigt, dass das Versagen von Drahtseilen bei Brückenkränen häufig auf das Zusammenwirken mehrerer Faktoren zurückzuführen ist. Bei einer tatsächlichen Fehleruntersuchung sollten die Faktoren umfassend analysiert, ihre relative Bedeutung ermittelt und die primäre Fehlerursache identifiziert werden, um die Lebensdauer der Drahtseile zu verlängern.

Zora Zhao

Experte für Lösungen für Laufkrane/Portalkrane/Auslegerkrane/Kranteile

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