Bessere Abstimmung von Seil und Trommel

In einer aktuellen Doktorarbeit am Institut für Maschinenwesen der TU Clausthal wurde ein neuer Ansatz entwickelt, wie man das Verhalten von Seilen auf mehrlagig bewickelten Seiltrommeln analysieren kann.

Zudem geht es in der Arbeit darum, wie sich die Systemkomponenten besser aufeinander abstimmen lassen. Das Ziel der Untersuchung war eine optimale Abstimmung von Seil und Trommel als System, um einen sicheren Einsatz zu gewährleisten. Die Parameter für eine Optimierung des Systems sind unter anderem Durchmesser und Verformungsverhalten des Seils und Rillen- und Bordscheibengeometrie der Trommel.

Anlass der Untersuchung: Faserseile werden immer häufiger eingesetzt, trotzdem gibt es für sie weniger Forschungsergebnisse als für Drahtseile. Aber auch bei Drahtseilen gibt es bei bestimmten Anwendungen – beispielsweise bei reduzierter Seilkraft in den unteren Lagen der Bewicklung – Optimierungsbedarf.

Die Untersuchung des Wickelverhaltens der Seile auf der Trommel wurde mit Laser-Profil-Scannern durchgeführt. Dafür wurden diese in einer Ebene mit der Drehachse der Trommel über dieser angebracht (Abb. 1 und 2). [1] und [2]

Aufnahmen von der Trommeloberfläche

Abb. 2: Schematische Darstellung der Anordnung der Scanner. Foto: © Martin Schulze

Beim Aufwickeln des Seils werden zunächst Aufnahmen von der Trommeloberfläche gemacht. Bei der Bewicklung werden dann die Lagen nacheinander erfasst. Die Auswertung ordnet jeder Umwicklung im Sichtbereich der Scanner einen charakteristischen Punkt zu.

In der Darstellung wird die x-Koordinate auf die Rillenbreite normiert. Dadurch liegt zwischen zwei Umwicklungen idealerweise der Abstand 1 (Abb. 2).

Der charakteristische Verlauf des Seils in der Mehrlagenwicklung ergibt sich durch das notwendige Hin- und Her-Wickeln zwischen den Bordscheiben. Wenn die ungeraden Lagen einer linksgängigen Helix folgen, verlaufen die geraden mit einer rechtsgängigen Helix.

Größere Wickelhöhe im Kreuzungsbereich

Damit kann die Wickelhöhe des Seils ab der zweiten Lage nicht mehr konstant sein. Das Seil liegt im Parallelbereich im Tal der unteren Lage. Um jede halbe Trommelumdrehung in das nächste Tal zu gelangen, muss es über die darunterliegende Umwicklung laufen. Dabei entsteht die größere Wickelhöhe im Kreuzungsbereich.

Abb. 3: Ausschnitt aus einem idealtypischen Wickelpaket eines Drahtseils. Foto: © Martin Schulze

Der Wickelverlauf ist in den Abb. 3 und 4 dargestellt. Auf der y-Koordinate 0 ist die Trommel zu sehen. Im Folgenden sind dann die Lagen eins bis fünf zu sehen. Punkte, die zu einer halben Umdrehung gehören, sind mit einem schwarzen Rechteck zusammengefasst.

Abb. 3 zeigt einen nahezu idealtypischen Verlauf von einem Drahtseil auf einer passenden Trommel mit korrekten Anwendungsparametern wie Seilzugkraft, Ablenkwinkel, etc. Dieses idealtypische Verhalten ist an den übereinanderliegenden Parallelbereichen und an der mit zunehmender Lagenzahl steigenden Höhendifferenz zwischen den Parallel- und Kreuzungsbereichen in einer Lage zu erkennen.

Anwendung als Liveüberwachung

Die Analyse des Wickelverlaufs ist die Grundlage zur Optimierung des Zusammenspiels von Seil und Trommel. Der Vergleich der Wickelpakete von Draht- und Faserseil (Abb. 3 und 4) lässt anhand der höheren Symmetrie des Drahtseilwickelpakets die bessere Wickelqualität für das Drahtseil erkennen. Eine weitere Aussage liefert der Vergleich der experimentell ermittelten Position des Seils mit einer theoretisch ermittelten Seilposition. Damit kann man die Wickelqualität auch quantifizieren.

Neben der schrittweisen Optimierung des Systems ist auch die spätere Anwendung als Liveüberwachung denkbar. Eine ungenaue Wicklung kann damit direkt beim Auftreten erkannt und ein kritischer Betriebszustand verhindert werden.

Optimierte Abstimmung von Seil und Trommel

Abb. 4: Ausschnitt aus einem Wickelpaket eines Faserseils mit einem Einschneiden der 5. in die 4. Lage. Foto: © Martin Schulze

Exemplarisch ist in Abb. 4 der Wickelverlauf eines Faserseils dargestellt. Weil das Seil nicht optimal zur Trommel passt, ergibt sich ein Wickelfehler: In der fünften Lage schneidet das Seil in die vierte Lage ein (relative Wickelposition ca. 0,8).

Wenn es sich beim Abwickeln nicht aus der Verklemmung löste, würde durch das ruckartige Wiederaufwickeln ein kritischer Betriebszustand mit eventuell katastrophalen Auswirkungen entstehen.

Fazit: Mithilfe des hier beschriebenen Verfahrens lässt sich also durch eine optimierte Abstimmung von Seil und Trommel und auch durch eine Überwachung in der Anwendung die Sicherheit im System Seil-Trommel erhöhen.

Dr.-Ing. Martin Schulze, Prof. Dr.-Ing. Armin Lohrengel (Institut für Maschinenwesen der TU Clausthal), Prof. Dr.-Ing. Wolfram Vogel (GUT ACHTEN – Sachverständigenbüro für Aufzugtechnik)

Weitere Informationen: Hier kommen Sie zu einer ausführlichen Beschreibung des Aufbaus (kostenloser Download als PDF-Datei)

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[1] Schulze, Martin (2016): Einsatz von Laser Profil Scannern bei der Mehrlagenwicklung von Seilen. In: Mitteilungen aus dem Institut für Maschinenwesen der Technischen Universität Clausthal 41, S. 113–126.
[2] Schulze, Martin (2019): Kompatibilität von Faserseil und mehrlagig bewickelter Seiltrommel, Technische Universität Clausthal, Dissertation