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Oronas SDR-Drahtseil

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Abbildung 1: Spezielle Aufhängungssysteme: (lr) der Otis-Gürtel[1] und Oronas SDR

Nichtkonventionelle Seilanwendungen mit kleinem Durchmesser (SDR), Zertifizierungen und Leistung

von Dr. Mikel A. Urchegui, Iñaki Aranburu, Lars Gustavsson und André van den Burg

Oronas unkonventionelles Seil mit kleinem Durchmesser (SDR) ermöglicht den Einsatz kleiner getriebeloser Maschinen und die Entwicklung kompakter maschinenraumloser (MRL) Lösungen. Dieser Artikel enthält einen Überblick über den Zertifizierungsprozess, der sich auf die interessantesten und relevantesten durchgeführten Tests konzentriert, sowie eine Zusammenfassung der Geschichte des SDR.

Innovative Federung

Seit Mitte der 1990er Jahre besteht die Nachfrage nach kostengünstigen getriebelosen MRL-Lösungen. Getriebelose Maschinen gelten als die am besten geeignete Wahl für elektrische Traktionsaufzüge, und obwohl sie vor vielen Jahren bekannt waren, blieben sie für konventionelle Anwendungen, bei denen Getriebelösungen kostengünstig waren, immer noch zu groß und zu teuer. Infolgedessen waren getriebelose Maschinen hauptsächlich auf Hochhaus-/Verkehrsanwendungen beschränkt, bei denen die Anfangskosten durch Einsparungen bei effizienteren Betriebsbedingungen überwunden wurden. Obwohl Größen- und Kostenreduzierung für getriebelose Maschinen ständig gefordert waren, übten das MRL-Konzept und die Fokussierung auf konventionellere Gebäude zusätzlichen Druck auf deren Entwicklung aus. Zwei technologiegetriebene Innovationen haben dazu beigetragen, dieses Ziel zu erreichen: getriebelose Maschinen mit Permanentmagnet (PM) und innovative Federungsmittel.

Erstens ermöglichen PM-Maschinen eine kompaktere und kontrolliertere getriebelose Lösung und haben zu einer Vielfalt von Direktantriebsanwendungen auf dem Markt geführt. Andererseits wurden in den letzten Jahrzehnten spezifische und unkonventionelle Federungsmittel untersucht. Auch diese konzentrierten sich hauptsächlich auf die extremen Anforderungen von Hoch-/Verkehrsgebäuden und basierten häufig auf komplexen und teuren synthetischen Materialien wie Aramidfasern. Eine flexiblere Aufhängung war erforderlich, um die Treibscheibendurchmesser zu reduzieren und PM-Maschinen auf die Größen und Kosten zu bringen, die für wettbewerbsfähige getriebelose MRL-Anwendungen geeignet sind.

Aufgrund ihrer Biegeflexibilität sind Drahtseile mit kleinem Durchmesser eine mögliche Lösung. Um die erforderliche Bruchlast zu erreichen, müssen jedoch dünne, hochfeste Drähte verwendet werden, was zu sehr harten, verschleiß- und abriebempfindlichen Oberflächen führt. Dadurch versagen vollmetallische Seile mit reduziertem Durchmesser viel früher und verschleißen Treibscheiben und/oder Umlenkrollen schneller. Außerdem kann je nach Umschlingungswinkel und Rollen- oder Rillenmaterial leichter ein Mangel an Traktion auftreten.

Derzeit sind Riemen eine gute, ausgewogene Lösung, da mehrere hochfeste Drähte zu Litzen verdrillt werden, die in eine flache Basis aus Polyurethan eingebettet sind. Unter Beibehaltung ihrer Tragfähigkeit sind sie in der Lage, eine bemerkenswerte Zug- und Biegeflexibilität zu bieten und eine lange, zuverlässige Lebensdauer zu gewährleisten (Abbildung 1).

Orona verfolgte jedoch den Ansatz, ein mit einem Polymermantel beschichtetes Drahtseil mit reduziertem Durchmesser zu verwenden, um Kontakt und Verschleiß der Außendrähte und -scheiben zu vermeiden und gleichzeitig eine gute Traktionsfähigkeit dank der Materialien mit hoher Reibung zu gewährleisten (Abbildung 2). Das Unternehmen ist der Ansicht, dass die beschichtete Drahtseiltechnologie ihm eine differenzierende Wettbewerbsfähigkeit verschafft und von der gesammelten Forschung seit dem Jahr 2000 profitiert. Orona sieht seine Ergebnisse unter anderem als optimierte Schmalseilbelastung, flexible Schachtkonfiguration, sicherere Gesamtleistung von Drahtseilen und konventionelle Prüfmethoden.

Eine Abweichung von der Norm EN 81[2] stellt jedoch ein Hindernis für alle unkonventionellen Tragmittelalternativen dar (Bild 3), die ein intensives Prüfverfahren zur Zertifizierung erfordern. In den meisten Fällen liegen Riemen oder Seile, Scheiben- oder Riemenscheibendurchmesser und Drahtstärke außerhalb des Anwendungsbereichs von EN 81, da die harmonisierte Norm EN 81 gemäß der europäischen Aufzugsrichtlinie nur eine Konformitätsvermutung gibt. Ein solches System kann jedoch nach einer Risikoanalyse und einem externen Testverfahren der Benannten Stelle (NB) vermarktet werden. Die NB müssen bescheinigen, dass alle wesentlichen Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen der Aufzugsrichtlinie berücksichtigt wurden und dass die neuen Tragmittel mindestens ein Sicherheitsniveau bieten, das dem der EN 81 entspricht. All dies führt zu einer EG-Baumusterprüfung des Aufzugs von ein „Muster“-Aufzug (Gesamtzulassung des Aufzugstyps) und/oder eine Zulassung von Tragmitteln unter bestimmten Betriebsbedingungen des Aufzugs (EG-Baumusterprüfung des Seils).

Der SDR

Eine von einer externen NB zertifizierte Lösung für kompakte PM-Gearless-Antriebe. Im Vergleich zu herkömmlichen Seilen basiert das SDR auf einem Konzept mit höheren Festigkeiten, dünneren Drähten mit kleineren Litzen; Seil mit reduziertem Durchmesser; und eine Polymerbeschichtung, um die Traktion zu gewährleisten und einen Abrieb der Außendrähte zu vermeiden, ohne dass eine erneute Schmierung erforderlich ist. Der metallische Teil des Seils hat einen Durchmesser von weniger als 5 mm und verwendet Stahldrähte mit einer Zugfestigkeit von mehr als 2,800 N/mm2. Das komplett ummantelte Drahtseil hat einen Durchmesser von 6.5 mm und eine um ca. 60 % höhere Mindestbruchlast als ein herkömmliches Seil gleichen Durchmessers. Eine Polymerbeschichtung mit einem hohen Reibungskoeffizienten ermöglicht die Verwendung von halbkreisförmigen Rillen, was zu einem geringen Kontaktdruck zwischen Seil und Scheibe führt und dadurch den Verschleiß/Abrieb der Innendrähte reduziert. Der reduzierte Druck und das Fehlen des äußeren Metall-zu-Metall-Kontakts führt zu einem verbesserten Komfort in der Aufzugskabine, bei geringerer Geräuschentwicklung und reduzierten Vibrationen. Die SDR-Seilherstellung erfolgt nach einem konventionellen Seilwickelverfahren, bei dem eine Beschichtung im letzten Produktionsschritt für die richtige Haftung am inneren Metalldrahtseil sorgt.

SDR Seilprüfung und Zertifizierung

Die neue Aufhängung bedeutet für die Aufzugsindustrie eine Entwicklung und Lösung neuer technologischer Probleme und lange Testzeiten, um die Sicherheit unter allen Bedingungen zu gewährleisten. Aus diesem Grund hat sich Orona für die Aufzugszertifizierung auf die Erfahrung und die internationale Anerkennung von Liftinstituut verlassen. Unter der Aufsicht von Liftinstituut wurde die Risikoanalyse gemäß ISO 14121-1 und ISO 14798 durchgeführt. Der Schwerpunkt lag auf der Biegeermüdungslebensdauer und der Traktionskapazität, aber auch Geräusch- und Vibrationsprobleme wurden als kritisch betrachtet. Darüber hinaus wurden mehrere Tests entwickelt, um die SDR-Leistung unter extremen und seltenen Bedingungen wie Feuer zu überprüfen; Sonne und ultraviolette Strahlung; Wind; hohe Luftfeuchtigkeit; salzige, rostige oder sandige Atmosphären; Ölkontakt; niedrige Temperaturen; und Vandalismus.

Seit 2000 wurden mehrere MSc- und Doktorarbeiten zu diesem Thema von Orona unterstützt. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studien werden als Zeitschriften- oder Konferenzbeiträge veröffentlicht.[3-5] Liftinstituut überwachte die umfangreiche Anzahl von Labor- und Großversuchen, die in den Labortesteinrichtungen, Testtürmen und realen Aufzügen von Orona durchgeführt wurden. Von allen durchgeführten Tests werden im Folgenden die interessantesten und relevantesten beschrieben.

Ermüdungsleistung

Die herausragende Ermüdungsleistung des Orona SDR-Seils beruht auf der höheren Biegeflexibilität seines Metallkerns mit reduziertem Durchmesser. Innendrähte verhalten sich wie bei herkömmlichen Seilen, während die Außenlitzen im Kontakt mit dem Kunststoffmantel einem reduzierten und gleichmäßiger verteilten Anpressdruck ausgesetzt sind. Darüber hinaus erleiden diese Außendrähte dank des Polymermantels keinen Abrieb über die Treibscheiben- oder Umlenkrollenrillen. Eine kleine Menge spezielles Innenschmiermittel reduziert den inneren Verschleiß und die Verschlechterung der kleineren Kerndrähte in Kontakt mit den Außenlitzen.

Die dünnen Drähte können jedoch aufgrund von Kontakt mit benachbarten Drähten, Fehlausrichtungen von Seilen und Riemenscheiben, starken Stößen, Überlastung, unausgeglichenen Seilspannungen, Seilverdrehungen und anderen unerwünschten Bedingungen kollabieren. Die Drahtbrüche konzentrieren sich üblicherweise innerhalb des Kontaktbereichs zwischen den Drähten der Außenschicht der Außenlitzen und Kerndrähten. In diesem Fall werden die gebrochenen Drähte schließlich die Polymerhülle durchdringen. Auch dies ist ein gut dokumentiertes Phänomen, bei dem die Verwerfungskriterien auf herkömmlichen Inspektionsmethoden basieren und ein viel strengerer Sicherheitsfaktor als in den aktuellen Normen angewendet wird. Die konventionelle Seilkonstruktion und damit die SDR-Konstruktion verhindert jedoch von Natur aus den Gesamtkollaps des Seils, da überbeanspruchte beschädigte Bereiche (in gleichmäßigen Spannungsverteilungen) einige Schlaglängen vom beschädigten Bereich normalisiert werden.[6] Dies und das mehrfache Abseilen sind weitere Gründe für die sicherere Leistung des SDR.

Das Ermüdungsverhalten der SDR-Aufhängung wurde mit verschiedenen beschleunigten Biegevorrichtungen überprüft. Eine (Bild 4a) basiert auf dem von Dr. Klaus Feyrer definierten Ermüdungsprüfstand für Biegewechsel (BoS).[7] Bei diesem Test trägt das Seil eine konstante Zugkraft und wird über eine Umlenkrolle gebogen. Für umfangreiche Tests musste das SDR mehr als 4 x 106 Biegewechsel über Rollen mit einem Durchmesser kleiner 160 mm überstehen und wurde einer Zugkraft mit einem Sicherheitsfaktor von ca. 8 ausgesetzt.

Andere Prüfstände bildeten die exakten Arbeitsbedingungen des Seils in einem realen Aufzug nach (Bild 4b): Das Seil läuft über eine Treibscheibe und zwei Umlenkrollen, die die auf der Kabinen- bzw ein echter Auftrieb, und das T1/T2-Verhältnis wird simuliert. Die SDR-Lösung unterstützt mehr als 2 x 106 Maschinen-Reversierstarts mit einem Sicherheitsfaktor von ca. 12 und T1/T2 ≈ 1.6. Schließlich wurde das Seil wiederholt durch mehr als 6 x 106 Biegezyklen betrieben.

Traktionskapazität

Der polymere Mantelkontakt auf herkömmlichen gusseisernen Rillenscheiben zeigte eine hohe Zugkraft unter extremsten Bedingungen. Es wird eine starke und enge Haftung zwischen dem Polymer und der äußeren Oberfläche des metallischen Teils des Seils erreicht, um ein Ablösen des Mantels bei hoher Reibung oder Rutschbedingungen zu vermeiden. Die Lebensdauer der Polymer-Mantel-Reibung ist viel länger als die Lebensdauer des Seils. Auch wenn während der Aufwärtsfahrt der Kabine Schlupf auftritt, wenn das Gegengewicht auf dem Puffer aufliegt, tritt kein nennenswerter Verschleiß oder ein Verbrennen der Hülle auf.

Das SDR erfüllte alle Bedingungen, die in Abschnitt 9.3 von EN 81-1 aufgeführt sind. Diese Bedingungen wurden auch in realen Aufzügen überprüft, da die Auslegungsüberlegungen in Anhang M nicht auf das SDR anwendbar sind. Zusätzliche Tests wurden durchgeführt, um den Reibungskoeffizienten des SDR-Seils, das über eine halbkreisförmige Nut läuft, zu kontrollieren und den relativen Schlupf der Treibscheibe gegenüber dem SDR für verschiedene T1/T2-Verhältniswerte zu ermitteln.

Lärm und Vibration

Weitere Tests und Berechnungen wurden ebenfalls durchgeführt, um den Komfort in den Liften zu verbessern. Deshalb wird die Eigenfrequenz des SDR zusammen mit denen der anderen Komponenten des Federungssystems (Maschine, Treibscheibe und Umlenkrollen) für alle Arbeitsbedingungen in verschiedenen Aufzügen berechnet. Diese Berechnungen werden mit Messungen in realen Aufzügen verglichen (Abbildung 5).

Die umfassende Risikoanalyse und das anschließende Gesamttestprogramm führten dazu, dass das Liftinstituut Orona die Verwendung seines Federungssystems durch eine EG-Baumusterprüfung für vier neue Hebebühnenmodelle mit einer Tragfähigkeit von 320-1600 kg und einer Geschwindigkeit von 1-1.6 mps wie folgt zertifiziert hat : NL 10-400-1002-035-20, NL 09-400-1002-035-21, NL 06-400-1002-032-14 und NL 04-400-1002-035-09. Zusätzlich wurde das SDR-Drahtseil selbst mittels EG-Baumusterprüfbescheinigung (A11/99CL0067 ausgestellt von AENOR) für Aufzugsersatz, Modernisierung oder Sanierung zertifiziert. Diese Zertifikate gelten sowohl für MRL-Aufzüge als auch für traditionelle Überkopfanwendungen.

SDR-Leistung in realen Anwendungen

Das SDR-Seil wurde vor mehr als einem Jahrzehnt konzipiert und ursprünglich hergestellt, aber erst 2003 nach gründlichsten Tests auf den Markt gebracht, um eine optimale Seilleistung zu gewährleisten. Seitdem wurde das Seil verbessert und über mehrere zehntausend Stunden in Laboren und realen Aufzügen intensiv getestet. Mehr als 5,000 km des CTP®-Seils wurden von Brugg Lifting hergestellt, die auch Hersteller des Otis-Gürtels sind. Da das Produkt in mehr als 20,000 Aufzügen auf der ganzen Welt installiert wurde, wurde es im Laufe der Zeit an verschiedenen Orten beobachtet.

Der Prozess der SDR-Verschlechterung unterscheidet sich von herkömmlichen Seilen. Die Verschlechterung wird hauptsächlich durch den Kontakt zwischen benachbarten Drähten (von zwei benachbarten Außenlitzen und/oder zwischen der Außenlitze und der Seele) erzeugt und folglich ist eine Verschlechterung nicht sichtbar, außer durch eine fortschreitende Seilfärbung (rot über braun bis schwarz) ), die bei der Entscheidung über einen Ersatz niemals berücksichtigt werden sollten. Verfärbungen entstehen nur durch Abrieb durch Reiben (wiederholte relative Verschiebung und Reibung von sich berührenden Drahtpaaren), der nach einigen tausend Zyklen einen Staub aus Drahtoberflächenabbau ergibt, der im Gegensatz zu herkömmlichen Seilen von den Seilmantel. Aus diesen Gründen ist eine verbesserte Version des SDR mit undurchsichtiger grauer Ummantelung geplant.

Die Liftinstituut-zertifizierten Tests haben gezeigt, dass der SDR auch unter extremen Belastungsbedingungen immer ein Mindestmaß an Rückwärtsfahrten ohne Kraftverlust übersteht. Daher wurde als einfaches Ablegekriterium, das Bestandteil der Zertifikate ist, die maximale Anzahl von Zyklen bzw. Rückwärtsfahrten vereinbart. Folglich basiert diese Bewertungsmethode auf der Verwendung, bei der die Aufzugssteuerung eine Warnung ausgibt, wenn sich die definierte Grenze nähert, und den Aufzug schließlich stoppt, wenn die Warnung nicht beachtet wird. Die definierte Nutzungsgrenze verleiht dem SDR eine Lebenserwartung, die der von herkömmlichen Seilen entspricht oder höher ist.

Bei herkömmlichen Seilen ist die Umrechnung der Anzahl der Fahrten in die Zeit (in Jahren) nicht einfach. Das Ergebnis hängt von Verkehrsaufkommen, Aufzugskonfiguration, Anzahl der bedienten Stockwerke, durchschnittlicher Fahrhöhe, Kabinengröße, durchschnittlicher Betriebszeit usw mit jedem Aufzug mit Orona SDR-Systemen ausgestattet. In den Anweisungen wird auch darauf hingewiesen, dass das SDR regelmäßig überprüft werden sollte, um Situationen wie Überlastung, schwere Stöße, unausgeglichene Seilspannung, Fehlausrichtung von Seil und Riemenscheibe, Seilverdrehung, Drahtbruch oder Schäden an der Abdeckung zu vermeiden. SDR-Ersatzteile werden vom regulären Orona-Ersatzteilservice unter der Hebeauftragsidentifikation geliefert.

Vorteile

Die Hauptvorteile des SDR sind Sicherheit, Zuverlässigkeit, Fahrkomfort, Geräuschentwicklung, Bremsgenauigkeit und Umweltschutz. Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Seilen ist die Möglichkeit, PM-Direktantriebe in den meisten Anwendungen auf die Größen und Kosten zu reduzieren, die für wettbewerbsfähige getriebelose MRL-Lösungen geeignet sind, wodurch Betriebskosten und CO2-Emissionen reduziert werden. Diese Kombination kann zu weniger Einschränkungen und mehr verfügbarem Speicherplatz führen. Leichtere Seile helfen bei der schnelleren Montage, vermeiden Seilgewichtsausgleichsmittel und reduzieren den Energieverbrauch durch Reduzierung der Gesamtsystemträgheit.

Beschichtete SDRs vermeiden Metall/Metall-Kontakt, was zu einer ruhigen und reibungslosen Fahrt führt, und die SDR-Schmierlösung sorgt für eine sauberere und umweltfreundlichere Umgebung mit einer längeren Lebensdauer als herkömmliche Metallseile. Außerdem gibt es keinen Verschleiß an Lauf- und Umlenkrollen, wodurch die Wartung dieser Komponenten entfällt.

Das SDR ist eine wettbewerbsfähige Alternative zu Flachriemen-Aufhängungsmitteln mit einem sichereren Ansatz, der sowohl auf der Widerstandsfähigkeit gegen den Gesamtkollaps von Litzendrahtseilkonstruktionen als auch auf dem Mehrfachseilsystem basiert. Obwohl sich das SDR in seinen Degradationsmechanismen von herkömmlichen Seilen unterscheidet, sind keine ausgeklügelten Degradationsüberwachungssysteme erforderlich, um seinen Verschlechterungszustand zu bestimmen. Nicht zuletzt bieten SDRs mit kleinem Durchmesser und kreisförmigem Querschnitt mehr Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an Wellengeometrien in verschiedenen Hubkonfigurationen, ermöglichen ein präziseres Seilsystem für die erwarteten Anwendungen und tragen dazu bei, optimale Ladebedingungen zu gewährleisten.

Referenzen
[1] Otis-Website (www.Otisworldwide.com). Über Aufzüge (Zugriff am 14. Mai 2012).
[2] EN 81-1, 1998. Sicherheitsregeln für den Bau und die Installation von Aufzügen – Teil 1: Elektrische Aufzüge.
[3] Urchegui, MA, Hartelt, M., Klaffke, D. und Gómez, X. „Laboratorische Fretting-Tests mit dünnen Drahtproben“. TriboTest, vol. 13, nein. 2, 2007, S. 67-81.
[4] Urchegui, MA, Tato, W. und Gómez, X. „Verschleißentwicklung in einem gestrandeten Seil, das zyklischer Biegung ausgesetzt ist.“ Zeitschrift für Werkstofftechnik und Leistung, vol. 17, nein. 4, 2008, S. 550-560.
[5] Usabiaga, H. und Durville, D. „A Finite Element Approach for Modeling Wire Ropes“, OIPEEC Conference '09: Innovative Ropes and Rope Applications, OIPEEC, 2009.
[6] Evans, JJ, Ridge, IML und Chaplin, CR „Drahtfehler in Seilen und ihr Einfluss auf das lokale Drahtdehnungsverhalten bei Zugspannungsermüdung“. Journal of Strain Analysis for Engineering Design, vol. 36, nein. 2, 2001, S. 231-244.
[7] Feyrer, K. Wire Ropes: Tension, Endurance, Reliability (1. Auflage), Springer, 2007, S. 400.
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Dr. Mikel A. Urchegui, Iñaki Aranburu, Lars Gustavsson und André van den Burg

Dr. Mikel A. Urchegui, Iñaki Aranburu, Lars Gustavsson und André van den Burg

Dr. Mikel A. Urchegui trat 2008 dem Orona Elevator Innovation Center in Spanien bei. 2011 wurde er Abteilungsleiter Maschinenbau. Vor seinem Eintritt bei Orona arbeitete Dr. Urchegui mehrere Jahre an der Universität Mondragón, ebenfalls in Spanien, wo er in Ingenieurwissenschaften promovierte.

Iñaki Aranburu ist Corporate Manager für Marketing & Business Development und Vorstandsmitglied von Orona, wo er seit 2002 tätig ist. Aranburu ist auch Präsident von IK4-Ikerlan. Der Maschinenbauingenieur und Bauingenieur verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in Forschung und Entwicklung sowie im Engineering. Aranburu ist in Aufzugsverbänden aktiv und ist Vorstandsmitglied des spanischen Verbandes FEEDA, European Elevator Association und European Lift Association. Er hat einen MSc der Surrey University.

Lars Gustavsson ist Produktentwicklungsmanager bei Orona. Vor seinem Eintritt bei Orona war Gustavsson Leiter der Sensorabteilung bei ABB Automation Technology. Er hat einen MSc in Engineering Physics von der Technischen Universität Luleå in Schweden.

André van den Burg ist Senior Specialist bei Liftinstituut, wo er seit 1992 tätig ist. Van den Burg ist an der EG-Baumusterzulassung für Aufzüge und Sicherheitskomponenten beteiligt. Außerdem war er viele Jahre als Maschinenbauingenieur und Festigkeitsanalytiker in der Luft- und Raumfahrtindustrie tätig.

Aufzugswelt | Juli 2012 Titelbild

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