Werkstofffehler in einer gusseisernen Energieübertragungskomponente:

Mehrere unterschiedliche Energieübertragungskomponenten aus Sphäroguss haben im Betrieb versagt, teilweise erst nach vielen Betriebsjahren. Im metallographischen Schliff zeigten sich als Ursache unterschiedliche Werkstofffehler.

Weisseinstrahlung führte zu glasshartem Verhalten (Zementitnadeln und Ledeburit, links), die grobe Ausbildung von Graphitkörnern und inhomogenes Gefüge führen zu mangelnder Festigkeit (rechts). Zur Vermeidung weiterer Schadensfälle wurden unter anderem die Werkstoffangabe und Geometrie geändert und Messungen wurden eingeführt, um zugelieferte Komponenten zu prüfen.

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Einflüsse auf die Ermüdung von Leiterseilen und Grenzen der üblichen Auslegungsverfahren: 

Lokales Finite Elemente Modell

Globales Finite Elemente Modell

In unserem Beitrag zur letzten Cigre Konferenz haben wir den Einfluss einer Vielzahl von Geometrie-, Werkstoff- und Lastparametern auf die Betriebsfestigkeit von Freileitungen bei windangeregten Schwingungen untersucht und die Grenzen der derzeit üblichen Auslegungsverfahren geprüft. Dabei wurden zwei unterschiedliche Arten von Finite Elemente Modellen verwendet, ein lokales Modell zur Auswertung der Spannungen am Versagensort und ein globales Modell in dem mehrere Spannweiten simuliert wurden.

Ein wesentliches Ergebnis ist die Änderung der lokalen Spannungen am Versagensort (Amplitude, Mittelspannung und deren Kombination) relativ zu einem in der Schweiz häufigen Referenzfall (AAAC 550 in kommerzieller Tragklemme). Die Aufhängung der Armaturen hat grossen Einfluss auf die Dauerfestigkeit. Optimal ist eine Rotationsachse in der Leitermitte. Noch geringer sind die Spannungen nur, wenn das Leiterseil einseitig entlastet ist (z.B. an Endklemmen).

Die deutlich besseren Ermüdungseigenschaften von ACSRs (Aluminium Conductors Steel Reinforced, bestehend aus Stahl Kern und Reinaluminium in den Aussenlagen) im Vergleich zu AAACs (All Aluminium Alloy Conductors, in Europa fast ausschliesslich aus einer E-AlMgSi Legierung) lassen sich nicht durch unterschiedliche lokale Spannungen alleine erklären, sondern die Werkstoffeigenschaften des Aluminiums spielen dabei eine entscheidende Rolle. Das Kernmaterial hat dagegen relativ wenig Einfluss auf die lokalen mechanischen Lasten. Wegen der inhärenten Streuung lassen sich derartige Informationen experimentell ohne Simulationen kaum herleiten.

Derzeitige Auslegungsverfahren berücksichtigen wesentliche Einflüsse wie die Geometrie und Aufhängung von Armaturen garnicht oder ungenügend. Deshalb ist es wichtig, dass solche Parameter von den Armaturenherstellern geprüft werden.

Originalveröffentlichung: "Limits of vibration amplitude measurement based conductor fatigue design", Cigre E-Session 2020; Paper als PDF und Vortrag als Video verfügbar.

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