A159

Zusammenhang zwischen Umlaufbiegewechselfestigkeit von Stahldrähten und Lebensdauer von daraus hergestellten Seilen

(A159 S 24/36/2000)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2001 - 30. April 2004

Die industrielle Praxis der Seilanwendung zeigt, dass Seile unerwartet früh ausgefallen sind oder die erwarteten Gebrauchseigenschaften nicht erreicht haben, obwohl sie die Anforderungen der heute üblichen Einzeldrahtprüfungen erfüllen. Diese Einzeldrahtprüfverfahren, die im Kurzzeitfestigkeitsbereich mit hohen plastischen Verformungen durchgeführt werden, ermöglichen offensichtlich keine zuverlässigen Beurteilungen der Güte und der Qualität der Drähte als Ausgangsmaterial für Seile. Der bisher wenig systematisch erforschte Drahtumlaufbiegeversuch stellt eine geeignetere Prüfmethode dar, da die Beanspruchung eines Drahtes im Drahtumlaufbiegeversuch der Beanspruchung der Drähte in einem belasteten Seil wesentlich näher kommt.

Ziel des am Institut für Fördertechnik und Logistik der Universität Stuttgart durchgeführten Forschungsvorhabens war es, den Zusammenhang zwischen der Umlaufbiegewechselfestigkeit von Drähten und. der Lebensdauer daraus hergestellter Seile zu untersuchen. Hierfür wurde eine repräsentative Stichprobe von insgesamt 32 Drähten von verschiedenen Drahtherstellern mit unterschiedlichen Durchmessern, Zugfestigkeiten und Beschichtungen aus Stahldrähten, die für die Seilherstellung verwendet werden, entnommen. Mit diesen Versuchsdrähten wurden die bisher bei Draht- und Seilherstellern angewendeten Einzeldrahtprüfungen (Hin- und Herbiegeversuche, Verwinde- und Zugversuche), Drahtumlaufbiegeversuche zur Bestimmung der Schwingfestigkeit und, nach Herstellung von Seilen aus ausgewählten Versuchsdrähten, Seildauerbiegeversuche durchgeführt. Im Vergleich der Ergebnisse aus den Drahtumlaufbiegeversuchen und den Seilversuchen wurde untersucht, ob die Schwingfestigkeit eines Drahtes einen Einfluss auf die Lebensdauer eines aus diesem Draht hergestellten Seils hat.

Die Schwingfestigkeiten der Drähte wurden auf einer Umlaufbiegemaschine ermittelt und in Form von Wöhlerdiagrammen ausgewertet. Durch die große Anzahl von Versuchsdrähten mit unterschiedlichen Parametern konnte mit den durchgeführten Versuchen erstmals eine umfangreiche Datenbasis bezüglich der Schwingfestigkeit von Stahldrähten für die Seilherstellung geschaffen werden.

Aus ausgewählten Drähten des Versuchsprogramms wurden Seile der Konstruktion 6x19 Seale + FE hergestellt und im Seildauerbiegeversuch geprüft. Die Auswahl der Drähte erfolgte anhand den in den Drahtumlaufbiegeversuchen ermittelten Zeitfestigkeiten. Als Kriterium wurde ein möglichst großer qualitativer Unterschied im Zeitfestigkeitsverhalten der Drähte gewählt.

In weiteren, von der MPA Stuttgart durchgeführten Untersuchungen, wurden die Versagensmechanismen von gebrochenen Drahtproben aus dem Drahtumlaufbiegeversuch und aus gerissenen Seilen mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie untersucht und verglichen.
Mit den durchgeführten Untersuchungen kann festgestellt werden, dass der Versagensablauf bei den gebrochenen Drähten aus dem Drahtumlaufbiegeversuch und aus den Seilversuchensehr ähnlich ist. Wegen des vergleichbaren Schädigungsmechanismus wird die Aussage, dass die Ergebnisse eines im Umlaufbiegeversuch untersuchten Drahtes die Beurteilung über dessen Eignung und Qualität im laufenden Seil ermöglichen, voll gestützt.

Mit den Ergebnissen der durchgeführten Drahtumlaufbiegeversuche und der Mehrfachregression konnte eine Gleichung zur Berechnung der Drahtdauerfestigkeit aus den Zugfestigkeiten und Durchmessern aufgestellt werden. Die durchgeführten Hin- und Herbiegeversuche zeigen, dass Drähte mit guten Zeitfestigkeitseigenschaften im Drahtumlaufbiegeversuch niedrigere Biegezahlen im Hin- und Herbiegeversuch erreichen. Die Verwindezahlen lassen sich direkt aus den Biegezahlen des Hin- und Herbiegeversuchs berechnen und bringen somit keine weiteren Informationen über die Eigenschaften der Drähte.

Mit den Ergebnissen der durchgeführten Drahtumlaufbiegeversuche und der Mehrfachregression konnte eine Gleichung zur Berechnung der Drahtdauerfestigkeit aus den Zugfestigkeiten und Durchmessern aufgestellt werden. Die durchgeführten Hin- und Herbiegeversuche zeigen, dass Drähte mit guten Zeitfestigkeitseigenschaften im Drahtumlaufbiegeversuch niedrigere Biegezahlen im Hin- und Herbiegeversuch erreichen. Die Verwindezahlen lassen sich direkt aus den Biegezahlen des Hin- und Herbiegeversuchs berechnen und bringen somit keine weiteren Informationen über die Eigenschaften der Drähte.
Die Seilversuche zeigen, dass Seile aus Drähten mit hoher Dauerfestigkeit hohe Bruch- und Ablegebiegewechselzahlen erreichen. Ein Zusammenhang zwischen Drahtdauerfestigkeit und Seillebensdauer konnte somit nachgewiesen werden. Für eine quantitative Aussage ist nach heutigem Kenntnisstand eine Erweiterung um systematische Drahtumlaufbiegeversuche und Seilversuche unbedingt erforderlich.

Die fraktografischen Untersuchungen brachten nicht die Ursachen für unterschiedliches Verhalten im Drahtumlaufbiegeversuch zutage. Zur Klärung der grundlegenden Fragen hinsichtlich der Ursachen für die unterschiedlichen Drahtschwingfestigkeiten wären weiterführende metallografische Untersuchungen, insbesondere die Messung der Oberflächenrauheit wünschenswert.

Nach den Erkenntnissen des Forschungsvorhabens werden zur Beurteilung von Drahtschwingfestigkeiten zukünftig die Einflussgrößen Eigenspannung und Oberflächenrauheit verstärkt in den Fokus gelangen. Um die Grenzen der Beeinflussbarkeit der Schwingfestigkeit von Drähten durch die Herstellung zu untersuchen, könnten Drähte in Drahtumlaufbiegeversuchen geprüft werden, bei deren Herstellprozess bewusst Fehler, wie z.B. zu hohe I zu niedrige Temperaturen beim Patentieren, abgenutzte Ziehsteine, unübliche Anzahl von Drahtzügen eingebracht wurden.

Forschungsstelle 1:
Institut für Fördertechnik, Getriebetechnik und Baumaschinen der Universität Stuttgart
(jetzt: Institut für Fördertechnik und Logistik der Universität Stuttgart (IFL), www.uni-stuttgart.de/ift)

 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. K.-H. Wehking
(vorgelegt vom Wirtschaftsverband Stahl- und Metallverarbeitung e.V., WSM, Düsseldorf)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF