Kleine Seile – Aspekte für die Verwendung in Aufzugsanwendungen

In dieser Forschung werden die Auswirkungen und die Verwendung von Tragseilen mit kleinem Durchmesser untersucht.

Dieses Papier wurde präsentiert bei Luzern 2010, International Congress on Vertical Transportation Technologies und erstmals im IAEE-Buch Elevator Technology 18 erschienen, herausgegeben von A. Lustig. Es handelt sich um einen Nachdruck mit Genehmigung der International Association of Elevator Engineers (Webseite: www.elevcon.com). Dieser Artikel ist ein exakter Nachdruck und wurde nicht von ELEVATOR WORLD bearbeitet.

Abstract

Die Verwendung von Tragseilen mit weniger als 8 mm Durchmesser wird in zahlreichen Aufzugsanlagen zunehmen. Bereits seit mehreren Jahren werden Aufzugsproduktserien entwickelt. Spezialseile für diese Anwendungen erfordern im Vergleich zu den in der Norm enthaltenen herkömmlichen Aufzugskomponenten einen höheren Aufwand bei der Konstruktionsgenehmigung und Abnahme des tatsächlichen Aufzugs. Prüfzertifikate von benannten Stellen unterstützen die Hersteller und bescheinigen die Eignung der Spezialseile für den Einsatz als Aufzugstragseile. Eine Übersicht zeigt die Verfügbarkeit von Zertifikaten für alle Anwendungen auch außerhalb der in EN81-1 hinterlegten Mindestfahrtenzahlen. Die Tatsache einer separaten Expertenbewertung für diese Seile macht es zulässig, sowohl D/d = 40 als auch den in der Norm festgelegten Mindestdurchmesser von 8 mm für Seile zu unterschreiten. Eine Klärung der Erwartung der Benutzer und der Lebensdauer der Seile im praktischen Einsatz ist unbedingt erforderlich, und zwar am besten vor der Planungs- und Vertragsphase. Das Material der Umlenkrollen wird sehr oft diskutiert, wenn es um die zuverlässige Erkennung von Seilabnutzung geht. Der Einfluss von Kunststoffscheiben auf Lebensdauer und Ablegereife wird dargestellt.

1.Einführung

Kostendruck und verschärfter Wettbewerb führen zu technischen Lösungen, die sich allein an Kostenoptimierungsparametern orientieren. Bei aller Kostendeckelung dürfen jedoch die Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit – insbesondere bei Treibscheibenaufzügen, die von so großer sicherheitsrelevanter und öffentlicher Bedeutung sind – nicht außer Acht gelassen werden.

Das Maschinenelement Stahldrahtseil ist das Kernelement eines Aufzugsystems und beeinflusst dessen Leistungseigenschaften und Systemkosten. Dünnere Seile, bei gleichem Durchmesserverhältnis von Treibscheibe zu Stahldrahtseil D/d, führen zu kleineren Seilscheiben und kleineren Antriebseinheiten mit geringeren (kostenbestimmenden) Abtriebsdrehmomenten. Kleinere Seilscheibendurchmesser ermöglichen jedoch auch einen geringeren Bauraum und damit eine geringere Kopffreiheit. Größere Kabinenbodenflächen sind möglich. Doch wie sieht es mit den sicherheitsrelevanten Anforderungen beim Lauf des Stahldrahtseils aus, nämlich Lebensdauer und Seilablegezeit? Beim Lauf über die Seilscheiben sind Stahldrahtseile einer Reihe von Belastungen ausgesetzt, wie primären und sekundären Zugspannungen, Biegespannungen, Druck- und Torsionsspannungen – sowie Verschleiß durch Relativbewegungen zwischen Seil und Seilscheibe und innerhalb der Drähte selbst. Genau wegen dieser Art von Verschleiß lässt sich die Lebensdauer der Stahldrahtseile selbst bei ausreichender Kenntnis der Drahtspannungen nicht direkt berechnen; sie muss vielmehr durch Dauerbiegeversuche ermittelt werden. Die hierfür eingesetzten Biegewechselprüfstände, die Prüfverfahren und die statistische Auswertung werden in Feyrer2002 ausführlich beschrieben. Dabei ist zu beachten, dass neben Biegelänge, Drahtnennfestigkeit und Seildurchmesser auch das Durchmesserverhältnis von Seilscheibe zu Seil sowie die Seilzugkraft die Seillebensdauer maßgeblich beeinflussen. Diese Parameter spielen daher eine zentrale Rolle in der „Feyrerschen Seillebensdauergleichung“, mit der die Ergebnisse von Biegewechselversuchen, also die ermittelte Anzahl von Biegewechseln bis zur Ablegereife, beschrieben werden können. In Feyrer2002 werden standardisierte bzw. häufig eingesetzte Seilkonstruktionen geprüft und bewertet. Darüber hinaus wird in Feyrer2002 eine Methode vorgestellt, mit der die Abweichung der Prüfergebnisse berücksichtigt werden kann.

Bei Sonderseilkonstruktionen wie z.B. dem Pfeifer DRAKO STX 4 dürfen die vorliegenden Versuchsergebnisse allerdings nicht zu leichtfertig übernommen werden. Vielmehr müssen die entsprechenden Grundlagen für die Lebensdauergleichung neu geschaffen werden – und zwar durch angepasste Dauerbiegeversuche mit realistischen Prüfparametern wie Durchmesserverhältnis D/d, Rillenform etc.

Im ersten Schritt wurde die Durchmessergrenze von d ≥ 8 mm nicht eingehalten. Das Durchmesserverhältnis zwischen Seilscheibe und Seil wurde mit D/d = 40 beibehalten. In einem ersten Schritt erhielten die 4-mm- und 5-mm-Seile die Baumusterprüfbescheinigung G461 vom TÜV Süd. Diese Bescheinigung gilt für Aufzugssysteme mit Zugscheiben mit V-Nuten von g = 40° bis g = 50° und Führungsscheiben mit Rundnuten bei einem Durchmesserverhältnis D/d = 40. In einer Weiterentwicklung wurden die Durchmesserverhältnisse der Seilscheiben jedoch aus den oben genannten Gründen – Kosten, Platzbedarf und nutzbare Kabinenfläche – auf D/d = 30 reduziert. Diese kleinen D/d-Verhältnisse wurden schließlich in die Baumusterprüfbescheinigung G461/1 aufgenommen. Bezüglich des 250T Warrington 8x19 IWRC-Seils konnte es außerdem – nach umfangreichen Lebensdauertests – die in EN 81-1 definierten D/d-Schwellenwerte für die Umlenkrollen auf d = 6 mm und d = 6.5 mm auf D/d = 25 (G491 und G491/1) reduzieren. Alle zuvor genannten Produktprüfzeugnisse für kleine Seile

Gemeinsam ist auch, dass der Sicherheitsfaktor Sf nach EN81-1, Anhang N in Abhängigkeit von der Anzahl der Seilscheiben in der am höchsten belasteten Seilzone, der Rillenform usw. berechnet wird. Eine Entwicklung bedingt die nächste und es werden neue Anforderungen und Wünsche geweckt. Im Produktprüf-Baumusterzertifikat G515 werden diese Sicherheitsfaktor-Schwellenwerte überschritten, ohne jedoch die Sicherheitsanforderungen an Tragmittel zu vernachlässigen. Nur zur Erinnerung einige Sätze zur Lebensdauerberechnung von Stahldrahtseilen mit den Schritten Dauerversuche, statistische Berechnungen und Kumulierungsverfahren.

2. Lebensdauertests

Der Versuch beginnt mit Biegewechselversuchen, bei denen die Prüfparameter Durchmesserverhältnis von Seilscheibe zu Seil D/d, Seilzugkraft und Rille variiert werden. Abbildung 1 zeigt die Biegewechselprüfstände im Pfeifer DRAKO Technical Competence Center in Mülheim an der Ruhr. Diese Biegewechselprüfstände sind praktisch identisch mit den in Feyrer2002 beschriebenen Maschinen, weshalb wir hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichten und auf die Literatur verweisen.

Zu berücksichtigen ist hierbei lediglich, dass bei den Dauerbiegeversuchen Drahtbrüche in den Biegezonen bei den Bezugslängen l=6xSeilnenndurchmesser d und l=30xSeilnenndurchmesser d gezählt und der Seildurchmesser gemessen wurde. Als Ablegekriterium für die einzusetzenden Stahlseile STX 4 gelten Drahtbrüche bei den Bezugslängen l=30xd und l=6xd sowie eine Durchmesserabnahme von 6% (Verschärfung gegenüber DIN 15020 mit 10% gegenüber Seilnenndurchmesser).

Die Prüfparameter für die Dauerbiegeversuche sind so festgelegt, dass die Versuchsdauer in vertretbarem Rahmen gehalten werden kann und die Aussagekraft für spätere Aufzugsanwendungen nicht verloren geht.

Für die Versuche mit den V-Nuten bzw. Rundnuten mit Hinterschnitt haben wir Sicherheitsfaktoren von Sf,min=10 gewählt. Diese kleinsten Sicherheitsfaktoren kommen in der späteren Anwendung nicht vor – d. h. die Ergebnisse der Dauerbiegeversuche müssen bis zu einem gewissen Grad extrapoliert werden. Gleiches gilt für die Versuche mit den Rundnuten, die mit den relativ niedrigen Sicherheitsfaktoren durchgeführt wurden.

Sf < 8. Ein Vergleich mit den von Feyrer2002 ermittelten Biegewechselzahlen – für ähnliche Seilkonstruktionen, mit den getesteten Seilsicherheitsfaktoren und mit den D/d-Verhältnissen – zeigt, dass die DRAKO-Seile bis zur Ablegereife eine vierfach höhere Biegewechselzahl erreichen. Um jedoch auf der sicheren Seite zu bleiben, werden für die weitere Berechnung der zu erwartenden Fahrtenzahlen bis zur Ablegereife kleinere Erhöhungsfaktoren verwendet.

3. Wahrscheinlichkeitsverteilung und Abweichung

Weitere wichtige Details – die mitunter hinter den grundlegenden Anforderungen verborgen bleiben – umfassen die gleichmäßige Seilspannung in parallel gespannten Seilen und die Abweichung der Seileigenschaften innerhalb einer Charge über einen längeren Beobachtungszeitraum. Darüber hinaus müssen Seilhersteller Fragen beantworten können, wie beispielsweise den Einfluss des Einsatzes von Kunststoff-Führungsrollen auf die Seillebensdauer und insbesondere auf die Bestimmung des Ausmusterungszeitpunkts. Betrachten wir die Abweichung anhand eines Beispiels. Aus einer Produktionscharge von ca. 8,000 m Seil des Typs STX 4 (Seale 6x17 WSC d=4 mm) wurden an fünf verschiedenen Stellen Seilproben entnommen und Biegeermüdungsversuchen unterzogen. Alle Versuche wurden mit demselben Prüfstand und konstanten Prüfparametern durchgeführt. Die Anzahl der Biegezyklen bis zum Ausmusterungszeitpunkt wurde anschließend in einem Wahrscheinlichkeitsdiagramm (Abbildung 2) erfasst. Es zeigt sich, dass die Anzahl der Biegezyklen bis zum Ausmusterungszeitpunkt sehr gut durch eine logarithmische Normalverteilung beschrieben werden kann. Die Abweichung bzw. Standardabweichung – erkennbar am steilen Verlauf der Regressionsgeraden – ist mit lgs = 0.038 relativ gering und liegt am unteren Rand der in Feyrer (2002) für mehrere Tests mit derselben Charge angegebenen Abweichung. Der Mittelwert ist hier sogar mehr als 2.5-mal höher als in der Literatur ermittelte Werte. Es lässt sich außerdem feststellen, dass die Abweichung für verschiedene Produktionslose im gleichen Bereich liegt.

4. Kumulationsprozess

Zur Berechnung der Fahrtenzahl wurde die Zahl der Biegewechsel bis zur Ablegereife der Drahtseile in Rundrille und Formrille herangezogen, wobei davon ausgegangen wird, dass der höchstbeanspruchte Seilabschnitt über die Treibscheibe mit Formrille und über zwei Führungsscheiben mit Rundrille mit einfacher Biegung läuft, Bild 3.

Nach der Palmgren-Miner-Regel beträgt die Anzahl der zu erwartenden Fahrten dann

5. Baumusterprüfbescheinigung G515

Aus den Definitionen der EN 81-1, Anhang N ergibt sich ein Seiltrieb, dessen Lebensdauer begrenzt ist und in vielen Fällen, etwa im Mittel- und Hochhausbereich, als gering einzustufen ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass mit dieser Berechnungsmethode vorrangig Sicherheitsziele erreicht werden sollen.

Die Welt der Aufzüge und Aufzüge ist jedoch sehr vielfältig. Ganz im Gegensatz zu den oben diskutierten hoch frequentierten Anlagen, ist im Bereich der Wohnungsaufzüge oder bei bekanntermaßen wenig frequentierten Anlagen die Definition der EN 81-1, Anhang N, angeblich zu „großzügig“. Bei dieser Art von Aufzügen liegt die naheliegende Lösung darin, den Seilantrieb so zu konstruieren, dass das D/d-Verhältnis und die Sicherheitsfaktoren reduziert werden, um Antriebskosten zu sparen und zudem eine Optimierung des Bauraums zu ermöglichen. Wie zu erwarten, führen kleinere D/d-Verhältnisse und Seilsicherheitsfaktoren jedoch zu einer reduzierten Seillebensdauer.

Für das DRAKO-Stahlseil Typ 250T d = 6 mm, d = 6.5 mm und d = 8 mm wird die Ablegereife für nahezu beliebige Scheibendurchmesser-Verhältnisse, von der Berechnung nach EN 81-1 unabhängige Sicherheitsfaktoren und unterschiedlich geformte Scheibenrillen berechnet. Dies gilt hier für den Fall, dass der am höchsten beanspruchte Seilabschnitt über die Treibscheibe und zwei Umlenkrollen läuft. Dabei werden sowohl gleiche Durchmesser der Treib- und Umlenkrollen DTreibscheibe = DUmlenkrolle als auch unterschiedliche Durchmesser DTreibscheibe DUmlenkrolle betrachtet.

Für die Treibscheiben werden V-Nuten von g = 35° bis g = 60° und U-Nuten mit Unterschnittwinkeln b = 75° bis b = 105° verwendet. Dabei kommen Abminderungsfaktoren nach EN 81-1, Anhang N zur Anwendung. Nicht aufgeführte Abminderungsfaktoren werden durch Extrapolation ermittelt.

Die EN 81-1 geht von einer Mindestanzahl von Fahrten bis zur Ablegereife aus, die mit den oben genannten Durchmesserverhältnissen von Seilscheibe zu Seil teilweise nicht erreicht werden kann. Ziel ist es nun, die Anzahl der Fahrten nachzuweisen, die bei kleinen D/d-Verhältnissen für unterschiedliche Seilsicherheitsfaktoren Sf, unterschiedlich geformte Rillen und unterschiedliche Seilscheibenkombinationen bis zur Ablegereife zu erwarten sind.

Da es sich hier um im Aufzugsbau unkonventionelle Parameter handelt, wird auf der sicheren Seite gerechnet, etwa durch Berücksichtigung von Seilkrafterhöhungen infolge ungleichmäßiger Seilspannung, Reibung, Beschleunigung usw. Höhere Dauerbiegefestigkeiten von DRAKO-Seilen im Vergleich zur Gesamtpopulation nach Feyrer werden „vorsichtig“ berücksichtigt.

Das Stahldrahtseil DRAKO 250T ist für Aufzüge innerhalb und außerhalb der Anforderungen der EN 81-1 vorgesehen.

Der Sicherheitsfaktor Sf und/oder das Verhältnis Treibscheiben-Umlenkscheibendurchmesser D/d können von den Anforderungen der EN 81-1 abweichen. Liegt der Sicherheitsfaktor Sf innerhalb der Anforderungen der EN 81-1, Anhang N, ist der betreffende Aufzug normgerecht. Für den Betrieb sind keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich. Liegt der Sicherheitsfaktor Sf außerhalb der Anforderungen der EN 81-1, Anhang N, handelt es sich um einen Aufzug mit „reduzierter Fahrtenzahl“. Für den Betrieb sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, wie z.B. ein zuverlässiger Fahrtenzähler.

Läuft der am höchsten beanspruchte Seilabschnitt über die Treibscheibe und zwei Umlenkrollen (wobei die auf der sicheren Seite ermittelte Biegelänge zwei Stockwerksabständen entspricht), können die zu erwartenden Fahrtenzahlen für unterschiedliche Durchmesserverhältnisse D/d und Sicherheitsfaktoren Sf nach vorliegenden Diagrammen abgeschätzt werden, wobei „sortenreines D/d“ und unterschiedliche D/d-Verhältnisse für Treib- und Umlenkrolle berücksichtigt wurden. Zwischenwerte können nach einem bereitgestellten Verfahren interpoliert werden. Abschließend ist der Gültigkeitsbereich der Baumusterprüfbescheinigung G515 in Tabelle 1 zusammengefasst.

6. Umlenkrollen aus Kunststoff

Das Produktbaumusterprüfzertifikat G515 ist gültig für Stahlumlenkrollen oder Guss- und Kunststoffrollen. Die Vorteile von Kunststoffumlenkrollen liegen im geringen Gewicht und der Montage. Darüber hinaus ist die Lebensdauer bei Stahldrahtseilen, die über Kunststoffrollen laufen, höher als bei einer Stahlrolle mit gleichem Durchmesser. Die Erkennung der Ablegereife kann jedoch bei Verwendung von Kunststoffrollen durch äußerlich sichtbare Drahtbrüche bei Referenzlängen erschwert sein. Insgesamt besteht kein Zweifel an einer zuverlässigen Erkennung der Ablegereife, da das Seil beim Überfahren der Treibscheibe mit Formrillen äußerlich sichtbare Drahtbrüche erfährt. Interessant ist dennoch der Einfluss der Kunststoffumlenkrollen auf die Rollen, die im Reibscheibenaufzug überrollt werden. Hierzu wurden Dauerbiegeversuche durchgeführt, bei denen die am höchsten belastete Zone immer über die Umlenkrolle und die Reibscheibe läuft. Es wurden Vergleichstests mit Umlenkrollen aus Stahl und aus Kunststoff durchgeführt, jeweils in Kombination mit der Reibrolle aus Stahl. Die Umlenkrolle wurde zusätzlich mit einem Verhältnis von Rollendurchmesser zu Seildurchmesser von D getestet._U/d_Name=40 und D_U/d_Name=25. Ein Ergebnis der Dauerbiegeversuche war, dass die Drahtbruchentwicklung bei Verwendung von Kunststoffumlenkrollen im Vergleich zu Stahlumlenkrollen etwas verlangsamt ist. Bei der Kombination Stahlreibrolle/Stahlumlenkrolle wurde die Ablegereife früher erreicht als bei der Kombination Stahlreibrolle/Kunststoffrolle. Die Versuche wurden nach Erreichen der Ablegereife fortgesetzt und bei einem Biegewechsel von N = 2 Millionen abgebrochen. Der Zeitraum zwischen Erreichen der Ablegereife und Abbruch der Versuche führte zu einer Biegewechselzahl, die bei einer stark frequentierten Anlage mindestens 3 Aufzugsjahren entspricht. Die Seile waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht gebrochen. Die für den anschließenden Zugversuch zur Ermittlung der Restbruchkraft verwendeten Testseile waren beidseitig vergossen. Bei den Zugversuchen befand sich die Biegezone in der Mitte der freien Testlänge. Die berechneten realen Biegekräfte der verwendeten Seile kommen im Neuzustand des Seils noch immer der Mindestbiegekraft nahe.

7. Fazit

Der Einsatz dünner Seile in reibungsgetriebenen Aufzügen bedeutet in der Regel eine Umgehung der Anforderungen der EN81-1. Die Sicherheit der Benutzer darf dabei jedoch nicht auf der Strecke bleiben. Umfangreiche Zusatzmaßnahmen werden den Nachweis der Gleichwertigkeit der neuen Lösung mit den Anforderungen der Normen erbringen, zusätzlich wird eine benannte Stelle in den Produktbaumusterprüfbescheinigungen dokumentiert. Auch für gering und mäßig frequentierte Reibscheibenaufzüge sind kostenoptimierte Antriebe möglich. Eine Kostenreduzierung auf der Antriebsseite geht immer mit einer Reduzierung des Scheiben-Seil-Verhältnisses D/d einher. Diese Reduzierung wird durch die Anforderungen der EN 81-1 eingeschränkt. Das Produktbaumusterprüfzertifikat G515 von Pfeifer DRAKO und die darin formulierten Zusatzmaßnahmen werden in Sicherheitszeiten untermauert und ermöglichen den Einsatz von Systemen mit praktisch beliebigen Reibrollenformen, Durchmesserverhältnissen von D/d ≥ 25 und Seilsicherheitsfaktoren, die von den Berechnungsmethoden in EN 81-1, Anhang N abweichen. Die Wahl von Stahl- oder Kunststoff-Umlenkrollen hat hierbei keinen Einfluss auf die Erkennung der Ablegereife der betreffenden Stahldrahtseile.

Referenzen
Feyrer, K. (2002). Drahtseile. Springer Verlag Berlin 2002