Im Vergleich zu Stahlseilen haben hochfeste Faserseile vorteilhafte Eigenschaften. Insbesondere die bei gleicher Bruchlast um den Faktor 7 bis 10 reduzierte Eigenmasse ermöglicht neue Anwendungen. Die Nachteile von hochfesten Faserseilen gegenüber Stahlseilen , wie beispielsweise Druckempfindlichkeit und Empfindlichkeit gegenüber Wärmeeintrag , behindern den Einsatz von hochfesten Faserseilen in zahlreichen Anwendungsgebieten. Mit der vorliegenden Arbeit soll dieses Problem behoben werden. Dazu wurden die Grundlagen zur Auslegung einer neuen Winde für hochfeste Faserseile , welche die Nachteile dieser Zugmittel kompensiert, erarbeitet. Diese sogenannte Hüllandruckwinde vereint die Eigenschaften von hoher Treibkraft und Seilschonung auf kompaktem Bauraum. Eine Hüllandruckwinde ist eine Treibscheibenwinde, bei der das Seil durch ein umlaufendes, sogenanntes Hüllandruckelement in eine seilschonende Rundrille gedrückt wird. Das Hüllandruckelement kann als Zahnriemen mit Rundrille ausgeführt werden. Sowohl Treibscheibe als auch Hüllandruckelement sind angetrieben.
Zur Auslegung von Hüllandruckwinden ist die Kenntnis der Treibkraft und des Systemverhaltens erforderlich. Bei der Überprüfung des Stands der Forschung auf geeignete Treibkraftmodelle stellte sich heraus, dass bislang kein geeignetes Modell existierte. Somit erfolgte die Erarbeitung des sogenannten verallgemeinerten nichtlinearen Modells zur Beschreibung der Treibkraft von Hüllandruckwinden. Dieses wurde validiert und mit einem Benchmark-Modell des Stands der Forschung verglichen.
Das verallgemeinerte nichtlineare Modell weist im Vergleich zum Benchmark-Modell für den Zustand Haften einen im Durchschnitt 70 % und für den Zustand Gleiten einen im Durchschnitt 36 % niedrigeren mittleren relativen Fehler auf. Das verallgemeinerte nichtlineare Modell sagt in Bezug zu den Messdaten im Durchschnitt einen um 3,5 % erhöhten Wert vorher.
Außerdem wurde das Systemverhalten von Hüllandruckwinden untersucht. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten zwischen Treibscheibe und Hüllandrucklement im Bereich des Umschlingungswinkels des Hüllandruckelements auf dem Seil keinen Einfluss auf die Treibkraft hat. In Verspannversuchen mit einer Last unterhalb der Treibkraft konnten ein um 800 % überhöhtes virtuelles Antriebsdrehmoment des Hüllandruckelements und ein um 538 % überhöhtes Antriebsdrehmoment der Treibscheibe gemessen werden. Als Abhilfemaßnahme für diese überhöhten Antriebsdrehmomente erfolgte die Vorstellung eines lastabhängigen Vorspannmechanismus des Hüllandruckelements, welcher in der Nullserie der Hüllandruckwinde „HERO 1000“ angewendet wird. Aus der Gesamtheit der Erkenntnisse wurden Gestaltungshinweise für Hüllandruckwinden abgeleitet.:Kurzfassung VII
Abstract IX
1 Einleitung 11
1.1 Problemstellung und Motivation 11
1.2 Zielsetzung und Forschungsfragen 13
1.3 Aufbau der Arbeit 15
2 Stand der Technik 17
2.1 Definitionen und Erläuterungen 17
2.2 Hochfeste Faserseile 21
2.3 Ablegereife und Zustandsüberwachung 23
2.4 Trommelwinden 25
2.5 Durchlaufwinden 27
2.5.1 Einfach umschlungene Treibscheibenwinden mit glatter Rille 28
2.5.2 Einfach umschlungene Treibscheibenwinden mit profilierten Rillen 30
2.5.3 Mehrfach umschlungene, mehrrillige Treibscheibenwinden 31
2.5.4 Spillwinden 35
2.6 Bandscheibenabzüge 37
3 Stand der Forschung 43
4 Mathematische Modellierung 51
4.1 Betriebssituationen 51
4.2 Vereinfachungen 52
4.3 Festlegungen 55
4.4 Modellierung der Treibkraft 56
4.4.1 Herleitung 56
4.4.2 Lösungen Treibkraftfall C 62
4.4.3 Lösungen Treibkraftfall A 63
4.4.4 Lösungen Treibkraftfall B 64
4.4.5 Lösung Treibscheibenbetrieb ohne HAE 65
4.5 Modellierung der Synchronisation 65
5 Experimentelle Untersuchungen 69
5.1 Versuchsstand 69
5.1.1 Parameter 69
5.1.2 Mechanischer Aufbau 72
5.1.3 Steuerung des Versuchsablaufs 75
5.1.4 Kalibrierung der Frequenzumrichter 76
5.1.5 Erfassung der Messgrößen 78
5.1.6 Auswertung der Messergebnisse 79
5.2 Auswahl der Materialpaarungen 84
5.3 Versuchsplanung 86
5.3.1 Treibkraft 87
5.3.2 Systemverhalten 90
5.4 Versuchsdurchführung 91
5.4.1 Treibkraft 91
5.4.2 Systemverhalten 95
6 Diskussion der Ergebnisse 97
6.1 Vorgehensweise 98
6.2 Treibkraft 99
6.2.1 Treibscheibenbetrieb ohne HAE 99
6.2.2 Treibkraftfall A 109
6.2.3 Treibkraftfall B 114
6.2.4 Treibkraftfall C 120
6.2.5 Kritische Betrachtung des Treibkraftmodells 130
6.3 Systemverhalten 132
6.3.1 Verspannversuche 132
6.3.2 Synchronisationsversuche 139
6.3.3 Fazit Systemverhalten 143
6.4 Gestaltungshinweise für HAW 144
7 Zusammenfassung und Ausblick 147
7.1 Zusammenfassung 147
7.2 Ausblick 150
Abkürzungen 153
Symbole 155
Abbildungsverzeichnis 161
Tabellenverzeichnis 165
Literaturverzeichnis 169
Anlagenverzeichnis 182 / Compared to steel ropes, high-strength fibre ropes have advantageous properties. In particular, the reduction in dead weight by a factor of 7 to 10 for the same breaking load makes new applications possible. The disadvantages of high-strength fibre ropes compared to steel ropes, such as pressure sensitivity and sensitivity to heat input, hinder the use of high-strength fibre ropes in numerous areas of application. The present work is intended to eliminate this problem. For this purpose, the basic principles for the development of a new winch for high-strength fibre ropes, which compensates for the disadvantages of high-strength fibre ropes, were worked out. This so-called belt wrap capstan combines the properties of high driving force and rope protection in a compact design. A belt wrap capstan is a traction sheave winch in which the rope is pressed into a round groove by a so-called belt wrap capstan. The enveloping pressure element can be designed as a toothed belt with a round groove. Both the traction sheave and the enveloping pressure element are driven.
The design of belt wrap capstans requires knowledge of the driving force and the system behaviour. When reviewing the state of research for suitable driving force models, it was found that no suitable model existed so far. Therefore, a so-called generalised non-linear model was developed to describe the driving force of belt wrap capstans. This was validated and compared with a benchmark model of the state of the art.
Compared to the benchmark model, the generalised nonlinear model has a 70 % lower mean relative error for the sticking condition and a 36 % lower mean relative error for the sliding condition. The generalised non-linear model predicts a 3.5 % higher value on average.
The system behaviour of belt wrap capstans was also investigated. It was demonstrated that the ratio of angular velocities between the drive sheave and the enveloping pressure element within the wrap angle of the enveloping pressure element on the rope has no influence on the driving force. In tensioning tests with a load below the driving force, an 800 % excessive virtual driving torque of the sheath pressure element and a 538 % excessive driving torque of the traction sheave could be measured. As a remedy for the tensioning, a load-dependent pretensioning mechanism of the belt wrap capstan was presented, which is used in the zero series of the belt wrap capstan 'HERO 1000'. Design recommendations for belt wrap capstans were derived from all the findings.:Kurzfassung VII
Abstract IX
1 Einleitung 11
1.1 Problemstellung und Motivation 11
1.2 Zielsetzung und Forschungsfragen 13
1.3 Aufbau der Arbeit 15
2 Stand der Technik 17
2.1 Definitionen und Erläuterungen 17
2.2 Hochfeste Faserseile 21
2.3 Ablegereife und Zustandsüberwachung 23
2.4 Trommelwinden 25
2.5 Durchlaufwinden 27
2.5.1 Einfach umschlungene Treibscheibenwinden mit glatter Rille 28
2.5.2 Einfach umschlungene Treibscheibenwinden mit profilierten Rillen 30
2.5.3 Mehrfach umschlungene, mehrrillige Treibscheibenwinden 31
2.5.4 Spillwinden 35
2.6 Bandscheibenabzüge 37
3 Stand der Forschung 43
4 Mathematische Modellierung 51
4.1 Betriebssituationen 51
4.2 Vereinfachungen 52
4.3 Festlegungen 55
4.4 Modellierung der Treibkraft 56
4.4.1 Herleitung 56
4.4.2 Lösungen Treibkraftfall C 62
4.4.3 Lösungen Treibkraftfall A 63
4.4.4 Lösungen Treibkraftfall B 64
4.4.5 Lösung Treibscheibenbetrieb ohne HAE 65
4.5 Modellierung der Synchronisation 65
5 Experimentelle Untersuchungen 69
5.1 Versuchsstand 69
5.1.1 Parameter 69
5.1.2 Mechanischer Aufbau 72
5.1.3 Steuerung des Versuchsablaufs 75
5.1.4 Kalibrierung der Frequenzumrichter 76
5.1.5 Erfassung der Messgrößen 78
5.1.6 Auswertung der Messergebnisse 79
5.2 Auswahl der Materialpaarungen 84
5.3 Versuchsplanung 86
5.3.1 Treibkraft 87
5.3.2 Systemverhalten 90
5.4 Versuchsdurchführung 91
5.4.1 Treibkraft 91
5.4.2 Systemverhalten 95
6 Diskussion der Ergebnisse 97
6.1 Vorgehensweise 98
6.2 Treibkraft 99
6.2.1 Treibscheibenbetrieb ohne HAE 99
6.2.2 Treibkraftfall A 109
6.2.3 Treibkraftfall B 114
6.2.4 Treibkraftfall C 120
6.2.5 Kritische Betrachtung des Treibkraftmodells 130
6.3 Systemverhalten 132
6.3.1 Verspannversuche 132
6.3.2 Synchronisationsversuche 139
6.3.3 Fazit Systemverhalten 143
6.4 Gestaltungshinweise für HAW 144
7 Zusammenfassung und Ausblick 147
7.1 Zusammenfassung 147
7.2 Ausblick 150
Abkürzungen 153
Symbole 155
Abbildungsverzeichnis 161
Tabellenverzeichnis 165
Literaturverzeichnis 169
Anlagenverzeichnis 182
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:82718 |
| Date | 20 December 2022 |
| Creators | Schumann, Paul |
| Contributors | Schmidt, Thorsten, Schlecht, Berthold, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1016/j.mechmachtheory.2022.104823 |
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