Hochfeste Faserseile für Krane

Hochfeste Faserseile für Krane

Erfolgreich getestet in Hubanwendungen

Obwohl derzeit auf dem Markt verfügbare Kunststofffilamente eine höhere Tragfähigkeit als vergleichbare Stahldrähte aufweisen, waren sie – u. a. aufgrund unzureichender Praxiserfahrungen – als tragende Elemente in laufenden Kranseilen noch nicht weit verbreitet. Im Beitrag wird ein hochfestes Faserseil als Hubseil für Krananwendungen vorgestellt, das von Liebherr und Teufelberger gemeinsam entwickelt worden ist.

1. Für Kranapplikationen entwickeltes Faserseil (Durchmesser dS = 20 mm) (Quelle: Liebherr)
2. Vergleich der Seilgewichte von Stahlseil und Faserseil „soLITE“ für ausgewählte Durchmesser [1] (Quelle: Liebherr)
3. Vergleich der Traglastkurven von Liebherr Flat-Top-Kranen bei Verwendung eines Stahlseils und eines Faserseils „soLITE“ [1] (Quelle: Liebherr)
4. Liebherr-Seiltrieb-Entwicklungszentrum in Biberach mit Kranseilprüfstand (Quelle: Liebherr)
5. Trommelseitige Seilendbefestigung für Faserseilwinden (Quelle: Liebherr)
6. Feldtest 1: Faserseil im Einsatz auf dem Turmdrehkran 172 EC-B 8 im Jahr 2018 (Quelle: Liebherr)
7. Verschiedene Verschleißzustände des Schutzmantels zur Erkennung der Ablegereife (Quelle: Liebherr)
8. Feldtest 2: Fahrzeugkran LTM 1750-9.1 mit einem Faserseil als Hubseil bei der Demontage einer Windkraftanlage (Quelle: Liebherr)
Hochfestes Faserseil „soLITE“ für den Kranbetrieb. Liebherr, Broschüre 2019.
ISO 2307:2010 08 15: Fibre ropes – Determination of certain physical 
and mechanical properties, 2010.
ISO 4309:2010 08 01: Cranes – 
Wire ropes – Care and maintenance, 
inspection and discard, 2010.
Feyrer, K.: Drahtseile – Bemessung, Betrieb, Sicherheit, 2. Aufl. 
Berlin: Springer 2000.
Mupende, I.: Beanspruchungs- und Verformungsverhalten des Systems Trommelmantel-Bordscheiben bei mehrlagig bewickelten Seiltrommeln unter elastischem und teilplastischem Werkstoffverhalten. TU Clausthal, Dissertation. Göttingen: Cuvillier 2001.
FEM 5.024: Guideline – Safe Use of 
High Performance Fibre Ropes in 
Mobile Crane Applications. Frankfurt (Main): VDMA-Verlag 2017.

Das in 9-jähriger Partnerschaft entwickelte hochfeste Hubseil vom Typ „soLITE“ zeichnet sich außer durch sein geringes Gewicht durch ein erheblich komfortableres Handling bei der Montage (Einziehen und Umscheren) aus. Bis zu zehn Lagen lassen sich auf Seiltrommeln wickeln. Das Faserseil ist drehungsfrei und erzielt bei den heute im Kranbereich üblichen Sicherheitsfaktoren eine vielfach höhere Lebensdauer als vergleichbare Stahlseile. Zur zuverlässigen Erkennung der Ablegereife ist das hochfeste Faserseil mit Features ausgerüstet, die auf unterschiedlichen Kransystemen einen sicheren Einsatz ermöglichen.

Vorgeschichte der Entwicklungspartnerschaft

Seile aus hochfesten Polymerfasern werden schon seit vielen Jahren in verschiedensten Anwendungen genutzt. Inzwischen kommen diese Seile zunehmend auch in der industriellen Praxis zum Einsatz, was aufgrund der dort vorliegenden spezifischen Anforderungen bis dato ausschließlich Stahlseilen vorbehalten war. Die Unternehmen Liebherr und Teufelberger gründeten im Jahr 2009 eine Entwicklungspartnerschaft mit dem Ziel, hochfeste Faserseile (HFFS) in Kranen als Ersatz für Stahlseile einzusetzen. Im April 2016 wurde der Prototyp eines HFFS nach rd. 7-jähriger Entwicklungsarbeit auf einer internationalen Baumaschinenmesse erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt (Bild 1).

Vergleich von Faserseil und Stahlseil bei Kranapplikationen

Hochfeste Faserseile bieten im direkten Vergleich zu heute handelsüblichen Stahlseilen bei identischem Außendurchmesser vergleichbare Bruchkräfte und Gewichtseinsparungen von bis zu 80 % (Bild 2). Bei Verwendung eines HFFS als Hubseil in einem Kran ergibt sich durch das geringere Eigengewicht ein direkter Zugewinn des zulässigen Lastmoments sowie der Spitzentraglast. Der Vergleich der Load-plus-Traglastkurven im Bild 3 zeigt am Beispiel der Turmdrehkrane 340 EC-B 12 und 370 EC-B 12 Fibre den Zuwachs durch den Umstieg auf das Faserseil. Bei gleichem Stahlbau erreicht der 370 EC-B 12 Fibre eine um 0,4 t gesteigerte Spitzentraglast.

Entwicklung eines Faserseils als Hubseil

Zu erfüllende Anforderungen

Krane sind hochspezialisierte Baumaschinen, deren Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind, damit Effizienz, Lebensdauer sowie Sicherheit von Gerät und Nutzer auf der Baustelle dauerhaft gewährleistet werden. Um mit einem Faserseil in einer „Stahlseilanwendung“ bestehen zu können, sind viele unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. Dazu zählen u. a.:

  • Akzeptables Verhältnis von Durchmesser zu Bruchkraft:Der Kran und dessen Komponenten sind für eine definierte maximale Arbeitslast ausgelegt. Ein Tragfähigkeitsverlust infolge Umrüstung vom Stahlseil auf HFFS ist im Normalfall nicht akzeptabel [2].

  • Vergleichbare Dauerbiegewechselfestigkeit („Lebensdauer“): Für die Mehrzahl der Krananwendungen sind die Lebensdauerprognosen von Stahlseilen gut bekannt/abschätzbar und somit planbar. Weiterhin existieren für Stahlseile etablierte Methoden zur Erkennung der Ablegereife (ISO 4309 [3]). Eine Verringerung der Seil-Lebensdauer durch Umrüstung von Stahlseil auf Faserseil war bereits zu Beginn der Entwicklung ausgeschlossen.

  • Gutes Wickelverhalten in der Mehrlagenwicklung: Stahlseil und mehrlagig bewickelte Trommel agieren im Einsatz als fein aufeinander abgestimmtes Hubsystem. Die Trommelgeometrie, vor allem die Verrillung der Trommel, und die Durchmessertoleranzen des Seils müssen optimal aufeinander abgestimmt sein. Nur so kann ein mit Wickelfehlern einhergehender, übermäßiger Seilverschleiß in der Mehrlagenwicklung vermieden werden.

  • Drehungsfreiheit:Stahlseile als Kranhubseile werden meist als mehrlagige Rundlitzenseile ausgeführt. Diese verfügen im vorgesehenen Lastbereich über ein sehr geringes Drehmoment [4]. Faserseile haben aufgrund des Fasermaterials eine geringere Drehsteifigkeit, die eine sorgfältige Konstruktion fordert, um das Risiko eines Hakenflaschenüberschlags auszuschließen.

  • Endverbindung:Kranhubseile aus Stahl werden geräteabhängig mit Vergüssen oder Alu-Pressverbindungen ausgeliefert. Für den Einsatz in einem Kran müssen Faserseile deshalb mit einer Endverbindung ausgerüstet werden, die mindestens die für Stahlseile geltenden Sicherheitsanforderungen erfüllt.

  • Resistenz gegen Umwelteinflüsse und UV-Strahlung:Stahlseile sind sehr witterungsbeständig. Sämtliche bekannten hochfesten Polymerfasern sind weniger UV-beständig als Stahldraht und unterscheiden sich zusätzlich untereinander hinsichtlich ihrer Witterungsbeständigkeit. Um die für einen Einsatz als Kranhubseil geforderte Beständigkeit zu erreichen, kann es je nach verwendeter Faser und Seilkonstruktion notwendig sein, Faserseile mit entsprechenden Imprägnierungen und/oder Konstruktionsmerkmalen (z. B. Schutzmantel) auszurüsten.

Einblicke in die Entwicklungsarbeit

Nutzung von Prüfständen in Biberach

Im Rahmen des Projekts wurden mehr als 100 verschiedene Hubseil-Prototypen mit mehr als 85.000 m Seillänge entwickelt. Diese wurden auf eigens für das Projekt gebauten Prüfständen bei Liebherr in Biberach realen Betriebsbelastungen ausgesetzt und erprobt. Auf diese Weise konnten die Faserseile vor ihrem Einsatz auf Feldgeräten umfassend getestet werden.

Zusätzlich zu den klassischen Seilbiegemaschinen (10 bis 250 kN) wurde ein Kranseilprüfstand mit einer Versuchslast von bis zu 45 t und einer Hubhöhe von 42 m auf dem Werksgelände in Biberach aufgebaut (Bild 4).

Auf dem Prüfstand lassen sich Seile mit einem Durchmesser bis 31 mm mit mehrlagig bewickelter Seiltrommel testen. Für das Entwicklungsprojekt wurde auch ein Klimasimulationsprüfstand (-5 °C bis 80 °C) mit einer Prüflast von 45 t eingerichtet. Hier wurden die Einflüsse von Umweltbelastungen auf das Faserseil untersucht.

Entwicklung der Seiltrommel

Die mechanischen Eigenschaften eines Faserseils (z. B. Längssteifigkeit, Quersteifigkeit und Reibwert) unterscheiden sich von denen eines Stahlseils. Für ein gutes Wickelbild muss die Seiltrommel an die mechanischen Eigenschaften des Wickelpakets angepasst werden [5]. Liebherr hat deshalb spezielle Seiltrommeln für Faserseile entwickelt. Die Designänderungen an Endscheiben und Trommelkörpern gewährleisten die sichere Mehrlagenwicklung und den Aufbau eines kompakten Seilpakets mit dem hochfesten Faserseil. Besonders zu erwähnen ist die optimierte Seilendbefestigung (Bild 5), die trotz Halbierung des Reibwertes im Vergleich zum Stahlseil eine gleichbleibende Anzahl an Sicherheitswindungen zulässt.

Entwicklung des Seils

Für einen erfolgreichen Einsatz im Kran muss das Seil mindestens die o. g. Anforderungen erfüllen. Das hier vorgestellte Faserseil wurde in mehreren Entwicklungsschleifen iterativ entwickelt. Es besteht aus einem lasttragenden Kern sowie einem Schutzmantel, der einerseits die tragenden Elemente des Seilkerns schützt und andererseits als Indikator der Ablegereife des Seils herangezogen wird.

Im Entwicklungsprojekt haben sich Kern-Mantel-Konstruktionen vor allem in Anwendungen mit Mehrlagenwicklung als vorteilhaft im Vergleich zu mantellosen Konstruktionen erwiesen. Der Mantel schützt den tragenden Seilkern im Einsatz, wodurch die lasttragenden Elemente keine Schädigung durch externe Abrasion erfahren. Deshalb verfügt das hochfeste Faserseil auch zum Zeitpunkt der Ablegereife nachweislich noch über eine Bruchkraft von 100 % der angegebenen Mindestbruchkraft. Damit ist gewährleistet, dass der Betrieb des Seils über die gesamte Lebensdauer mit gleichbleibendem Sicherheitsfaktor möglich ist. In Tabelle 1 werden die Ergebnisse von Dauerbiegeversuchen mit Stahlseilen und Faserseilen bei gleichen Testparametern gegenübergestellt.

Kriterien für die Ablegereife

Da das hochfeste Faserseil dort zum Einsatz kommt, wo bisher Stahlseile genutzt worden sind, war der Grundgedanke, die bestehenden Stahlseilnormen auf das Faserseil zu übertragen. Die ausschlaggebenden Schädigungsmechanismen in einem Seiltrieb sind:

  • Schädigung durch Biegewechselbelastung – interne Abrasion zwischen Litzen

  • Schädigung durch Mehrlagenwicklung – externe Abrasion quer und längs

  • Schädigung durch Verdrehung, lokale Beschädigung – Quetschungen bzw. Schnitte.

Passende Erkennungsmethoden wurden für das Faserseil erarbeitet.

Das Faserseil verfügt u. a. über einen Schutzmantel, der sukzessive verschleißt und so Auskunft über die bevorstehende Ablegereife gibt. Dieser Schutzmantel ist so ausgelegt, dass er sämtliche vorgenannten Schädigungsmechanismen anzeigen kann. Bild 6 zeigt exemplarisch verschiedene Verschleißzustände des Schutzmantels. Da der Mantel keine lasttragende Funktion übernimmt, behält das Seil bei einem lokalen Komplettverlust des Mantels die vollständige Tragfähigkeit. Faserseile in Kern-Mantel-Konstruktion können somit im Vergleich zu Stahlseilen oder mantellosen Konstruktionen mit einem signifikanten Sicherheitszuwachs betrieben werden.

Die im Jahr 2017 veröffentlichte Richtlinie FEM 5.024 [6] fordert eine Restlebensdauer von mindestens 60 % zum Zeitpunkt der Ablegereife eines Faserseils. Für das entwickelte hochfeste Faserseil „soLITE“ liegt dieser Zeitpunkt bei 100 % Mantelverschleiß.

Feldversuche mit Faserseilen als Hubseil bei Kranen

Das entwickelte Faserseil wird seit 2016 in unterschiedlichen Durchmessern auf verschiedenen Kranen (Fahrzeugkrane, Turmdrehkrane) im Feldversuch getestet (Bilder 7 und 8). Um möglichst viele Informationen über das Verhalten der Seile im Arbeitseinsatz zu gewinnen, werden die Feldtests von speziell geschultem Personal, engen Prüfintervallen und zusätzlicher Sensorik begleitet.

Die Fahrzeugkrane sowie verschiedene Turmdrehkrane lieferten fortwährend neue Informationen, die sich in Tests auf Prüfständen nicht generieren lassen. Jeder Kran wird im Feld verschieden eingesetzt und von unterschiedlichen Kranfahrern individuell bedient. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse sind sehr wichtig für weitere Optimierungen des Faserseils.

Die bei den Feldtests eingesetzten Seile zeigten die gewünschten Eigenschaften. Von den Betreibern wurden vor allem die Lebensdauer, die Qualität des Wickelbildes und die leichte Handhabung sehr positiv bewertet. Bild 8 zeigt den Einsatz des Faserseils am Mobilkran LTM 1750-9.1. Das Seil überstand mehrere Demontagehübe problemlos. Die Demontageeinsätze sind wegen des Seileinschneidens für Stahlseile besonders kritisch. Ein Stahlseil kann dabei schnell beschädigt werden. Das im Fall von Bild 8 getestete Faserseil war rd. 16 Monate im Einsatz. In dieser Zeit sind keine nennenswerten Schädigungen am Schutzmantel aufgetreten, die Lebensdauer war zu diesem Zeitpunkt zu rd. 7 % verbraucht (berechnet auf Seilbruch). Gemäß Richtlinie FEM 5.024 [6] ist dieses Seil nach maximal 40 % der Bruch-Lebensdauer abzulegen. Somit hat dieses Seil 7 % / 40 % ≈ 18 % der Lebensdauer verbraucht und weist eine Restlebensdauer von 82 % auf. Extrapoliert auf das bisherige Einsatzspektrum, ergäbe sich eine Gesamtstandzeit dieses Seils von rd. 7,6 Jahren.

Zusammenfassung

Hochfeste Faserseile (HFFS) bieten ein großes Potenzial für Hubanwendungen auf Kranen. Durch den Einsatz hochfester Werkstoffe werden ähnliche Durchmesser je Bruchkraft erreicht. Daraus ergibt sich unmittelbar ein Gewichtsvorteil im Vergleich mit Stahlseilen. Die Gewichtsreduktion ermöglicht den Einsatz längerer Ausleger und höhere Spitzen-traglasten. Ebenso steigt die Traglast über den gesamten Lastbereich (Ausladung). Durch die rd. 4-fach längere Lebensdauer des Seils reduzieren sich die Wartungszeiten erheblich und die Seileinscherung wird wesentlich erleichtert. Da für das Faserseil keine Schmierfette und Öle benötigt werden, treten am Kran durch Seilfett verursachte Verschmutzungen nicht mehr auf.

Das vorgestellte Faserseil „soLITE“ wurde speziell für den Einsatz in Hebeanwendungen mit Mehrlagenwicklung auf Seiltrommeln entwickelt. Es zeigt eine hohe Biegewechselfestigkeit und eine hohe Standzeit in Mehrlagenwicklung.

In jedem Seiltrieb wirken unterschiedliche Schädigungsmechanismen, die mit jeweils passenden Erkennungsmechanismen detektiert werden müssen. Aus diesem Grund wurde das Faserseil in Kern-Mantel-Konstruktion ausgelegt. Die Ablegereife lässt sich optisch am Schutzmantel, der den tragenden Seilkern schützt, ablesen. Die Ablegereife ist durch den sukzessiven Verschleiß in Stufen unterteilbar. Da sich der Verschleiß auf den Schutzmantel beschränkt, wird die Ablegereife ohne einen Tragkraft- bzw. Sicherheitsverlust im Einsatz ermittelt.

Literatur

Technische Logistik 09/2019 PDF-Download (2.56 MB) Autor: Dr.-Ing. Y. Mupende, Dr.-Ing. B. Ernst