EP3371383B1

EP3371383B1 - Baugerätstandsicherungsverfahren und -system

Info

Publication number: EP3371383B1
Application number: EP16808558.7A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Grabe; Marius MILATZ; Dominik ZOBEL
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg Harburg; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg Harburg; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: WO2017076390A1; EP3371383A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Baugerätstandsicherungsverfahren für ein auf einem nachgiebigen Planum stehendes oder fahrendes Baugerät, wobei das Baugerät Arbeitsgeräte und Bauteile aufweist, die zueinander verstellbar sind und einen erfassbaren, veränderlichen Systemzustand bilden, wobei eine kontinuierliche oder mit hoher Abtastrate abgetastete Neigungsmessung erfolgt, sowie ein Baugerätstandsicherungssystem dafür. Nachgiebiges Planum bedeutet dabei, dass die Aufstandsfläche, auf der das Baugerät steht oder fährt, aus verschiedensten Gründen nicht ausreichend stabil ist. Beispielsweise können ein nicht ausreichend verdichteter Baugrund, ein bodenmechanisch veränderlicher Boden, sonstige Hohlräume im Untergrund oder Fehlstellen vorliegen. Dabei ist es unerheblich, aus welchem Material der Untergrund gebildet ist, da allein die Nachgiebigkeit des Untergrundes einschließlich der Gefahr eines Grundbruchs die Standsicherheit des Baugeräts gefährden.
Baugeräte, insbesondere mit hohem Schwerpunkt, sind gefährdet, auf nachgebendem Untergrund umzukippen. Bei der Konstruktion derartiger Baugeräte wird gemäß den aktuellen Standards von einem starren Planum ausgegangen und daraus resultierend werden die Standsicherheitsgrenzen für den Bagger (Baugerät) festgelegt. Tatsächlich kann jedoch ein unzureichend befestigter Boden unter einem stehenden, fahrenden oder im Arbeitsbetrieb befindlichen Bagger allmählich oder plötzlich nachgeben, was zum Umstürzen und somit zu erheblichen Sachschäden und gegebenenfalls Personenschäden führen kann.
In der DE 10 2007 008 881 A1 wird ein Verfahren zum Aufstellen einer Arbeitsmaschine offenbart, wobei die Beschaffenheit und die Tragfähigkeit des Untergrunds berücksichtigt werden.
Überlastwarn- oder -abschalteinrichtungen für einen Hebezug, wie Kran oder insbesondere Hydraulikbagger sind bereits lange Zeit bekannt, wie beispielsweise aus der DE 23 43 941 A1 . Dabei wird jedoch der Untergrund, also die Tragfähigkeit des Bodens außer Acht gelassen und ein starres Planum vorausgesetzt.
Im Gegensatz dazu beschreibt die DE 103 20 382 A1 eine mobile Arbeitsmaschine, die mit teleskopierbaren Stützfüßen versehen ist, die zur Erhöhung der Standsicherheit auf einem Untergrund abstützbar sind und dabei das Fahrgestell anheben, bei der im Bereich der Stützfüße Messeinrichtungen angeordnet sind, die einen Stützlastsensor sowie einen stützfußbezogenen Bewegungssensor zur Erfassung der momentanen Stützlast und der Stützfußbewegung beim Aufstellvorgang aufweisen. Damit kann beim Aufstellen der Arbeitsmaschine eine zuverlässige Vorhersage über die Tragfähigkeit des Untergrunds gemacht werden. Entsprechend ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die auf die Ausgangssignale der Messeinrichtung anspricht und eine Auswertesoftware zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der stützfußbezogenen Bewegungssensoren und Stützlastsensoren und deren Extrapolation zur Ermittlung der stützfußbezogenen Untergrundtragfähigkeit in der Arbeitsphase aufweist.
Diese Art der Ermittlung der Untergrundtragfähigkeit ist jedoch nur mit ortsfesten Stützfüßen nicht für auf Raupen geführte Baugeräte, die sich auch auf dem Baugrund bewegen, anwendbar.
Um die Standsicherheit einer Baumaschine in Baustellenfahrt z.B bei einem Raupenkran ohne Abstützung bestimmen zu können, schlägt daher die DE 10 2010 012 888 A1 bei Baumaschinen mit Unterwagen und einem über eine Rollendrehverbindung relativ zum Unterwagen verdrehbar gelagerten Oberwagen vor, ein Messmittel zur Messung der Kräfte in Zug-, Druck- und Horizontalrichtung auf die Rollendrehverbindung vorzusehen, wobei die Messwerte einer Steuerung zugeführt und die Standsicherung überwacht werden kann. Ergänzt zu den Kraftsensoren kann die Baumaschine auch mit einem Neigungsgeber ausgestattet sein, der beispielsweise die Neigung des Oberwagens um eine lotrechte Achse ermittelt. Ferner kann neben der Überwachung der Betriebs- und Standsicherheit des Raupenkrans bzw. des Mobilkrans auch über die Raupengeometrie und/oder die Bodenplatten auf die aktuell vorhandene Bodenpressung geschlossen werden. Nachteilig ist jedoch, dass Bodenreaktionen nicht erfasst werden können.
Aus der DE 10 2008 009 002 B4 ist ein passiver elektromechanischer Neigungsschalter mit einstellbarer Dämpfung für die Kippsicherheitsüberwachung bei Baumaschinen und landwirtschaftlichen Maschinen bekannt. Nachteilig auch bei diesem Neigungsschalter ist, dass die Neigungsgrenzwerte wiederum von einem starren Planum ausgehen und eine solche Kippsicherung ein Bodenversagen nicht in situ ermitteln kann.
Aus der EP 2 060 530 A1 ist ein Verfahren zur Überprüfung der Standsicherheit einer Baumaschine, die Arbeitsgeräte und Bauteile aufweist, die zueinander verstellbar sind und einen erfassbaren, veränderlichen Systemzustand bilden, bekannt, bei der eine kontinuierliche Neigungsmessung erfolgt. Dabei werden aus der momentanen Neigung des Baugeräts ein kritischer Kippwinkel zum jeweiligen Systemzustand berechnet, die momentane Neigung mit dem jeweils geltenden kritischen Kippwinkel verglichen und Sicherheitsmaßnahmen vor Erreichen des jeweils kritischen Kippwinkels ausgelöst.
Aus der US 8,548,689 B2 ist ein Neigungsbestimmungssystem für Baumaschinen bekannt, das Neigungssensoren und Beschleunigungssensoren aufweist, deren Messwerte über eine Auswerteeinheit verarbeitet werden. Dabei können als Sicherungsmaßnahme Ausgleichsbewegungen und/oder Warnsignale abgegeben werden, wenn kritische Neigungssituationen entstehen.
In der US 2002/059320 A1 wird ein Arbeitsmaschinen-Management-System offenbart, in dem Informationen von Sensoren bei jeder Arbeitsmaschine erfasst und in einer zentralen Datenbank gespeichert werden. Dabei werden die Neigung und die Untergrundeigenschaften berücksichtigt. Das Umkippen einer Arbeitsmaschine kann auch erfasst werden, allerdings werden prädiktive Zustände oder Modelle nicht errechnet.
Ferner ist aus der DE 202 06 677 U1 eine Sicherheitsvorrichtung für Krane mit mindestens einem in der Position verstellbaren Lastaufnahmemittel, einem Lastsensor, einem Positionssensor, einer Steuer- und Überwachungseinrichtung und einer Warneinrichtung bekannt, bei der ein Sensor zur fortlaufenden Erfassung der horizontalen und/oder vertikalen Ausrichtposition des Krans für die Dauer seiner Aufstellung vorgesehen ist. Dabei ist eine Vergleichseinrichtung in der Steuer- und Überwachungseinrichtung vorgesehen, die ein gespeichertes Ausrichtpositionssignal mit einem von dem Ausrichtpositionssensor übermittelten aktuellen Ausrichtpositionssignal vergleicht und ein Positionssignal an die Steuer- und Überwachungseinrichtung ausgibt, und die Steuer- und Überwachungseinrichtung bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Positionssignals ein Aktivierungssignal an die Warneinrichtung ausgibt, das diese auslöst.
Ausgehend von den Schwierigkeiten hinsichtlich der Berücksichtigung der Tragfähigkeit des anstehenden Bodens wurde auf der Fachtagung Spezialtiefbau der BG BAU am 09. Juni 2011 in Hamburg ein Vortrag mit dem Titel "Standsicherheit von Spezialtiefbaugeräten" von Karl Krollmann, Jürgen Grabe und Marius Milatz gehalten. Darin wird ausgeführt, dass Geräteumstürze meist auf ein Nachgeben des Planums zurückzuführen sind und somit eine Reduzierung derartiger Unfälle nur unter Ergänzung der Einflüsse des Baugrundes möglich ist. Entsprechend soll in einem Forschungsprojekt eine Verbesserung der Standsicherheit über Software gestützte Lösungen erreicht werden, die auch geomechanische Aspekte mit einbezieht.
Entsprechend dieser Schrift ist es Aufgabe der Erfindung, ein Standsicherungsverfahren bzw. ein Standsicherungssystem für Baugeräte mit hohem Schwerpunkt anzugeben, das die Baugerät-Boden-Wechselwirkung bei üblichem, bodenmechanisch veränderlichem, nachgiebigem Baugrund berücksichtigt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Baugerätstandsicherungssystem gemäß Anspruch 12.
Durch Erstellung eines Planummodells, mit dem die Nachgiebigkeit des Planums bei Belastung vorausberechnet werden kann; Berechnen der Belastung des Planums zum jeweiligen Systemzustand des Baugeräts; Vorausberechnung einer prädiktiven Neigung des Baugerätes unter Berücksichtigung des Systemzustandes und des Planummodells; Vergleich der prädiktiven Neigung des Baugerätes mit der aktuell gemessenen Neigung des Baugeräts und iterative Anpassung des Planummodells zur Minimierung der Differenz zwischen prädiktiver Neigung und gemessener Neigung; Vergleichen der prädiktiven Neigung zum jeweiligen Systemzustand unter Berücksichtigung des Planummodells mit einem vorgegebenen Kippkriterium und Auslösen von Sicherungsmaßnahmen bei Erreichen des Kippkriteriums wird erreicht, dass kritische Belastungssituationen frühzeitig registriert werden können. Dabei berücksichtigt das erstellte Planummodell die bei der Belastung durch das Baugerät entstehenden Veränderungen aufgrund der Nachgiebigkeit des Planums bei dessen Belastung, sodass nach einer kurzen "Einschwingphase" der Charakter des Planums, insbesondere seine Reaktion auf Belastungen abgebildet wird, sodass eine Vorausberechnung einer Neigung des Baugeräts unter Berücksichtigung des Systemzustandes und der zwischenzeitlich erkannten Nachgiebigkeit des Planums (Planummodell) erfolgen kann. Bei dem Vergleich des jeweiligen Systemzustandes unter Berücksichtigung des Planummodells mit einem vorgegebenen Kippkriterium kann somit bereits vorausschauend eine Kippgefahr erkannt werden und bei Erreichen des Kippkriteriums können entsprechende Sicherungsmaßnahmen ausgelöst werden.
Dabei bedeutet Sicherungsmaßnahmen einerseits das Ausgeben von Warnsignalen an den Baugeräteführer in Form von optischen und akustischen Warnsignalen sowie das aktive Steuern des Baugeräts sowie seiner Arbeitsgeräte und Bauteile zur Verringerung des Kipprisikos. Beispielsweise kann ein am Baugerät angesetztes Rammgerät auf dem Boden abgesetzt oder in seiner Neigung zum Baugerät so verstellt werden, dass der Schwerpunkt wieder weiter auf seine Standfläche hineinwandert. Die Sicherungsmaßnahmen sind somit sowohl passive Warnungen, wie auch aktiv ausgelöste Veränderungen am System des Baugeräts, um die Standsicherheit wieder her zu stellen.
Die getroffenen Sicherungsmaßnahmen können eine Änderung des Systemzustands bewirken, die zu einer Entlastung des Baugeräts in Kipprichtung führt. So wird durch Verlagerung des Schwerpunktes entgegengesetzt zur befürchteten Kipprichtung eine starke Belastung oder Überlastung des Baugrunds in dieser Richtung reduziert, beispielsweise kann ein Bohr- oder Rammgerät auf dem Boden abgesetzt, ein ausgelenkter Oberwagen wieder in Ausrichtung mit dem Unterwagen zurückgedreht oder ein Arbeitsgerät an dem Baugerät entsprechend gegen die Kipprichtung verschwenkt werden. Jeweils wandert der den kritischen Systemzustand charakterisierende Schwerpunkt wieder näher an die mittige, lotrechte Achse des Baugeräts bzw. das Gewicht des Baugeräts wird durch eine zusätzliche Abstützung auf dem Boden gleichmäßiger auf dem veränderlichen, nachgiebigen Baugrund eingeleitet, womit unerwünschte Bodenüberlastungen und ein kritisches Nachgeben des Baugrundes vermieden werden.
Entsprechend sind bei einem Baugerätstandsicherungssystem eine Auswerteeinheit sowie eine Steuereinheit vorgesehen, wobei die Auswerteeinheit ein Planummodell enthält, mit dem die Nachgiebigkeit des Planums bei Belastung vorausberechnet werden kann, und vom Neigungssensor gemessene Neigungsdaten unter Berücksichtigung des jeweiligen Systemzustandes auswertet und mit vorbestimmten Grenzwerten vergleicht und die Steuereinheit von der Auswerteeinheit bei Überschreiten der Grenzwerte zum Verändern des Systemzustandes zur Entlastung des Baugeräts in Kipprichtung angesteuert wird.
Wenn der Systemzustand des Baugeräts als Fahrzeugmodell mit verschiedenen, gekoppelten Massenpunkten simuliert wird, kann der Systemzustand des Baugeräts mit seinen Arbeitsgeräten und Bauteilen, die zueinander verstellbar sind und einen erfassbaren, veränderlichen Systemzustand bilden, in einem Fahrzeugmodell nachgebildet werden. Damit können Belastungen und Drehmomente des kompletten Baugeräts in seinem jeweiligen Systemzustand nachgebildet werden. Damit ist es möglich, die komplexen Abhängigkeiten zwischen der jeweiligen Arbeitssituation des Baugeräts und des darunter befindlichen, nachgiebigen Planums zu berücksichtigen.
Dadurch, dass äußere Lasten, nämlich am Baugerät angreifende Windlasten und/oder am Baugerät anhaftender Boden im Fahrzeugmodell berücksichtigt werden, können zudem die Standfestigkeit beeinflussende äußere Lasten und damit veränderte Schwerpunkte und Drehmomente im Fahrzeugmodell nachgebildet werden.
Wenn das Fahrzeugmodell Veränderungen am Systemzustand des Baugeräts sowie bei den äußeren Lasten dynamisch berücksichtigt, kann die dynamisch wirkende Massenträgheit des gesamten Systems sowie ein etwaiges Schwingungsverhalten bei der Gesamtauswertung berücksichtigt werden.
Dadurch, dass ein Kontaktmodell zwischen Fahrzeugmodell und Planummodell die gegenseitige Beeinflussung simuliert, kann die Wechselwirkung zwischen dem Baugerät und dem Planum im Modell einfließen. Wird beispielsweise durch den Systemzustand des Baugeräts eine äußere Seite der Aufstandsfläche besonders stark belastet, wirkt diese erhöhte Auflast entsprechend auf den nachgiebigen Untergrund, sodass die sich am Baugerät widerspiegelnde Neigung nicht nur durch die Einfederung des Baugeräts, sondern auch auf ein zusätzliches Einsinken des Kettenfahrwerks an dieser stärker belasteten Stelle des Planums herrührt. Dies kann mit Hilfe des Kontaktmodells als Wechselwirkung zwischen Fahrzeugmodell und Planummodell berechnet und somit vohergesagt werden.
Dadurch, dass bei der iterativen Vorausberechnung der prädiktiven Neigung des Baugerätes das Fahrzeugmodell und das Planummodell berücksichtigt werden, wobei die prädiktive Neigung des Baugerätes mit der aktuell gemessenen Neigung des Baugeräts verglichen wird und eine iterative Anpassung des Planummodells und des Fahrzeugmodells zur Minimierung der Differenz zwischen prädiktiver Neigung und gemessener Neigung erfolgt, wird eine weitere Anpassung der beiden Modelle, nämlich Planummodell und Fahrzeugmodell an die tatsächlich gemessenen Reaktionen des Baugeräts bei dessen Arbeitsbetrieb erreicht. Diese iterative Anpassung verbessert somit die Vorausberechnung der sich bei entsprechenden Veränderungen einstellenden Neigung des Baugeräts unter Berücksichtigung sowohl des Planums wie auch des Systemzustandes des Baugeräts.
Wenn als Kippkriterium ein zum jeweiligen Systemzustand passender, kritischer Kippwinkel berechnet wird, der mit der prädiktiven Neigung verglichen wird, kann eine Vorhersage für eine Kippgefahr hergeleitet werden, die neben dem Ist-Zustand des Systems auch aus den bisherigen Reaktionen des Systems ermittelte, zukünftige Reaktionen sowohl des Baugeräts, wie auch des Planums berücksichtigt.
Alternativ oder ergänzend können auch die Daten der Neigungsmessung und/oder die Daten der prädiktiven Neigung mit vorher bestimmten, kritischen Bewegungsmustern verglichen werden, wobei bei einer Übereinstimmung die Sicherungsmaßnahmen ausgelöst werden, hierbei können kritische Bewegungsmuster, also auch dynamische Effekte erkannt werden, die zu einer kritischen Situation oder zum Umkippen des Baugeräts führen könnten.
In weiterer Ausbildung kann auch die erste zeitliche Ableitung der Neigungsmessdaten als Kriterium zur Einleitung von Sicherheitsmaßnahmen errechnet werden, gekennzeichnet durch Bilden der ersten zeitlichen Ableitung der Neigungsmessdaten, Berechnen einer kritischen Neigungsrate zum jeweiligen Systemzustand, Vergleichen der Neigungsmessdaten erster Ableitung mit der jeweils geltenden kritischen Neigungsrate, Auslösen der Sicherungsmaßnahme kurz vor Erreichen der jeweils geltenden kritischen Neigungsrate.
Durch Bilden der zweiten zeitlichen Ableitung der Neigungsmessdaten, Berechnen einer kritischen Neigungsbeschleunigung zum jeweiligen Systemzustand, Vergleichen der Neigungsmessdaten zweiter Ableitung mit der jeweils geltenden kritischen Neigungsbeschleunigung, Auslösen der ersten Sicherheitsmaßnahme kurz vor Erreichen der jeweils geltenden kritischen Neigungsbeschleunigung wird ein ergänzendes Kriterium für das Einleiten von Sicherungsmaßnahmen bereitgestellt.
Wenn die Neigungsmessdaten zur Dämpfung und/oder Glättung gefiltert werden, können Betriebsschwingungen, die erheblich höher frequent als die zur Umkippsicherung festzustellenden, zeitlich veränderlichen Neigungswerte sind, für die weitere Auswertung eliminiert werden.
Bei Überschreiten des kritischen Kippwinkels, der kritischen Neigungsrate und/oder der kritischen Neigungsbeschleunigung oder bei Auftreten eines bestimmten Bewegungsmusters kann als weitere Sicherungsmaßnahme eine Änderung des Systemzustands ausgelöst werden, die zu einem Schutz des Baugerätführers und des Baugeräts führt. Dabei werden durch aktive Schutzmaßnahmen gegen die Folgen eines nunmehr nicht mehr aufzuhaltenden Kippvorgangs beispielsweise gegen die Gefahr des Zerquetschens der Kabine unter dem Baugerät durch Rausdrehen der Fahrerkabine aus dem kritischen Bereich, Auslösen von Gurtstraffern und Fahrerairbags (passive Schutzmaßnahmen) der Baugerätführer sowie ggf. zusätzlich das Baugerät selbst geschützt bzw. Beschädigungen in Folge des Umstürzens verringert.
Wenn die Daten der Neigungsmessung mit vorher bestimmten, kritischen Bewegungsmustern verglichen werden, wobei bei einer ausreichenden Übereinstimmung die erste oder zweite Sicherungsmaßnahme ausgelöst wird, können bestimmte, kritische Bewegungsabläufe im Voraus bestimmt und deren Auftreten anhand des Vergleichs mit den aktuellen Messdaten relativ schnell erkannt und entsprechend geeignete Sicherungsmaßnahmen eingeleitet werden. Um die in hoher Abtastrate ermittelten Messwerte oder daraus abgeleiteten Werte für Neigungsraten und Neigungsbeschleunigungen interpretieren zu können, ist das vorher bestimmte, kritische Bewegungsmuster eine Zeitreihe von Neigungsdaten, Neigungsraten oder Neigungsbeschleunigungen, das mit den jeweiligen Messdaten, deren erster zeitlichen Ableitung oder deren zweiter zeitlichen Ableitung über ein mitlaufendes Zeitfenster verglichen wird. Dies kann beispielsweise mittels Filter- und/oder Dekonvolutionsmethoden ermittelt werden.
Um eine ausreichend schnelle Reaktion einerseits und eine genügende Datenbasis zum Erkennen des kritischen Bewegungsmusters (typischer Finderabdruck) erreichen zu können, wird mit dem mitlaufenden Zeitfenster ein vom momentanen Zeitpunkt rückblickender Zeitraum von 0,1 bis 10 s, insbesondere 0,3 bis 3 s betrachtet.
Wenn das Baugerät einen selbstfahrenden Unterwagen und darauf drehbar angeordnet einen Oberwagen mit wenigstens einem Arbeitsgerät hat, sind die zum jeweiligen Systemzustand gehörenden Geometrien und daraus der momentane Schwerpunkt sowie die daraus resultierende Bodenbelastung berechenbar.
Wenn der Unterwagen ein Kettenfahrwerk aufweist, werden aus den Geometriedaten die jeweiligen Kippkanten des Fahrwerks bestimmt und daraus die Standfestigkeit und je nach Lage des momentanen Schwerpunktes die unterhalb des Kettenfahrwerks wirkende, örtlich veränderliche Bodenbelastung ermittelt.
Wenn das Arbeitsgerät am Oberwagen ein Bohrgerät oder Rammgerät ist, liegt ein besonders hoher Schwerpunkt vor, der die Kippgefahr deutlich erhöht.
Dadurch, dass ein erster Neigungssensor im Unterwagen und ein zweiter Neigungssensor im Oberwagen angeordnet sind, können auch Neigungsdifferenzen zwischen Ober- und Unterwagen, beispielsweise aufgrund eines Spiels im Drehwerk, erfasst und bei der Auswertung berücksichtigt werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
Darin zeigt:

Fig. 1: eine Prinzipskizze des im Baugerät verwirklichten Standsicherungssystems;
Fig. 2: ein Diagramm mit Neigungsmessdaten vor und nach Filterung;
Fig. 3: die gefilterten Neigungsmessdaten gemäß Fig. 2 in einem Diagramm mit markierten Auslösepunkten für Sicherungsmaßnahmen;
Fig. 4: ein Diagramm der Neigungsrate im Zeitverlauf.

In Fig. 1 ist schematisch ein Baugerätstandsicherungssystem dargestellt. Ein Baugerät 1 mit einem Unterwagen 11 mit Kettenfahrwerk 10 und einem auf dem Unterwagen 11 drehbar um eine vertikale Achse Z drehbaren Oberwagen 12 weist ein am Oberwagen 12 angeordnetes Arbeitsgerät 13, beispielsweise ein Rammgerät, und am Oberwagen 12 eine Fahrerkabine 14 auf. Ferner sind am Baugerät 1 Sensoren 2 vorgesehen, von denen Lagesensoren 22 den Systemzustand des Baugeräts 1, nämlich die Stellung des Oberwagens 12 zum Unterwagen 11, die Neigung und Ausrichtung des Rammgeräts 13 sowie über wenigstens einen Neigungssensor 21 die Neigung des Baugeräts 1 zur vertikalen Achse Z erfassen können.
Ferner ist im Baugerät 1 eine Auswerteeinheit 3 vorgesehen, der eine Steuereinheit 4 nachgeschaltet ist. Von den Sensoren 2, nämlich Neigungssensor 21 und Lagesensor 22 gehen Wirkverbindungen 23 zur Auswerteeinheit 3. Die Messdaten des Neigungssensors 21 werden in der Auswerteeinheit 3 zunächst durch einen Filter 31 geleitet. Der Filter 31 ist ein Tiefpassfilter, der höherfrequente Signale der Neigungssensoren 21, die von Betriebsschwingungen des Baugeräts 1, beispielsweise dem Dieselmotor, der Hydraulik oder dem Arbeitsgerät 13 herrühren, herausfiltert. In Fig. 2 ist ein Diagramm der Neigungsdaten über der Zeitachse dargestellt, wobei die ungefilterten Rohdaten eine Vielzahl von hochfrequenten Störsignalen beinhalten und gestrichelt dazu das Tiefpass-gefilterte Signal dargestellt ist.
In der Auswerteeinheit 3 wird aus den Signalen der Lagesensoren 22 der Systemzustand des Baugeräts 1 erfasst und daraus der momentane Geräteschwerpunkt unter Berücksichtigung einer etwaigen Neigung des Baugeräts 1 zur vertikalen Achse Z errechnet. Unter Zugrundlegung der Gerätedaten des Baugeräts 1 und dem festgestellten Systemzustand könnte unter der Voraussetzung eines festen Planums bereits die Kippsicherheit berechnet werden.
Um die Nachgiebigkeit des Planums bei Belastung zu berücksichtigen, wird nun ein Planummodell erstellt, das die Eigenschaften des Bodens, auf dem das Baugerät steht, nachbilden und insbesondere deren Reaktion auf Belastungen vorausberechnen kann. Ferner wird ein Fahrzeugmodell erstellt, das die Lastverteilung im Baugerät zum jeweiligen Systemzustand des Baugeräts (Lage des Arbeitsgeräts) und der Bauteile am Baugerät beispielsweise mit verschiedenen, gekoppelten Massenpunkten nachbildet und über ein Kontaktmodell zwischen dem Fahrzeugmodell und dem Planummodell die Gesamtreaktion des Systems aus Baugerät und Planum vorausberechnen kann. Die sich dabei ergebende prädiktive Neigung des Baugeräts wird dann mit der aktuell gemessenen Neigung des Baugeräts verglichen und durch iterative Anpassung des Planummodells und ggfs. des Fahrzeugsmodells zur Minimierung der Differenz zwischen prädiktiver Neigung und gemessener Neigung angepasst.
Das somit optimierte Planummodell und Fahrzeugmodell liefert dann vorausberechnete (prädiktive) Neigungswerte, die direkt mit vorgegebenen Kippkriterien verglichen werden können. Es kann somit frühzeitig (im Voraus) entschieden werden, ob ein kritischer Zustand entstehen könnte. Entsprechend können dann Sicherungsmaßnahmen ausgelöst werden, um den Fahrzeugführer des Baugeräts zu warnen, aktiv in die Steuerung einzugreifen und die Schwerpunktlage positiv zu verändern oder bei einem nicht mehr zu verhindernden Umkippen geeignete Schutzmaßnahmen für den Fahrzeugführer und das Baugerät bzw. in der Umgebung befindliche, zu schützende Personen und Sachwerte vorzunehmen. Dazu ist es erforderlich, dass die relevante Umgebung des Baugeräts kontinuierlich durch eine geeignete Sensorik, beispielsweise mit bildgebenden Verfahren, deren Daten einer Erkennungssoftware zugeführt werden, zu überwachen. Dabei können Menschen, Bauwerke, Hindernisse und andere Baugeräte erfasst werden. Entsprechend kann bei einer Feststellung eines Umsturzes im Rahmen des Möglichen ein Personenschaden verhindert und ein unvermeidbarer materieller Schaden minimiert werden.
Dadurch, dass die Sensorsignale in hoher Abtastrate von der Auswerteeinheit 3 abgefragt werden und stets der momentane Systemzustand und auch die jeweils gemessene Neigung zur vertikalen Achse Z aktualisiert werden und auch der zeitliche Verlauf der Neigungsänderung in der Auswerteeinheit 3 betrachtet wird, können Sicherheitshinweise über die Steuereinheit 4 an den in der Fahrerkabine 14 sitzenden Baugerätefahrer ausgesendet und/oder aktiv Maßnahmen von der Steuereinheit 4 ausgeführt werden.
Wie in Fig. 3 dargestellt, könnte beispielsweise beim ständigen Vergleich der aktuellen Neigung mit dem stets neu berechneten kritischen Kippwinkel zum jeweiligen Systemzustand eine erste optische und akustische Warnung an den Baugerätefahrer bei 50 % des kritischen Kippwinkels gemäß A (1 im Kreis) gesendet werden. Bei Erreichen von 75 % des kritischen Kippwinkels gemäß B (2 im Kreis) in Fig. 3, wird dann beispielsweise über die Steuereinheit 4 neben einer optisch und akustischen Warnung an den Baugerätfahrer eine Veränderung des Systemzustandes des Baugeräts zur Entlastung in Kipprichtung angesteuert, um der Gefahr eines Umstürzens des Baugeräts 1 aktiv entgegen zu wirken. Bei dennoch zunehmender Annäherung an den kritischen Kippwinkel erfolgt beispielsweise bei 90 % des kritischen Kippwinkels gemäß C (3 im Kreis) in Fig. 3 ein sofortiges Absetzen des Arbeitsgeräts 13 oder ein schnelles Ausfahren von Sicherheitsstützen, um eine deutliche Entlastung des Kippmoments durch Veränderung des Geräteschwerpunkts bzw. Vergrößerung der Lasteinleitung in den Baugrund zu erreichen.
Kann diese Maßnahme nicht durchgeführt werden oder führt sie nicht zum gewünschten Erfolg und wird nach Überschreiten des kritischen Kippwinkels (Point of no return) und/oder bei Vergleich der Neigungsrate gemäß Fig. 4 durch ein mitlaufendes, rückblickendes Zeitfenster ein nicht mehr aufzuhaltendes Umkippen des Baugeräts festgestellt, werden über die Steuereinheit 4 sofortige Schutzmaßnahmen eingeleitet. Beispielsweise das Auslösen von Airbags in der Fahrerkabine 14 und/oder Gurtstraffern sowie Ausdrehen der Fahrerkabine 14 aus einem kritischen Aufprallbereich zur Vermeidung von Personenschäden. Ferner können automatische Maßnahmen zur Reduzierung der Materialschäden eingeleitet werden, beispielsweise automatisches Neigen des Arbeitsgeräts, Drehen des Oberwagens oder Verfahren des Baugeräts, quasi von einem Fahrsicherheitsassistenten eingeleitet werden.
Somit wird erfindungsgemäß ein Umsturzversagen von einem Baugerät 1 mit hohem Schwerpunkt, wie einem Bohrgerät oder Rammgerät 13 durch dynamische Messwerterfassung über die Sensoren 2, nämlich Neigungssensor 21 und Lagesensor 22 erkannt. Dafür wird sowohl der Systemzustand in einem Fahrzeugmodell wie auch der Boden in einem Planummodell unter Berücksichtigung der momentanen Neigung und des Neigungsverlaufs für eine Auswertung und Regelung durch die Auswerteeinheit 3 und Steuereinheit 4 erfasst, so dass umgehend Sicherheitsmaßnahmen, ggf. automatisch, getroffen werden können, um Menschenleben und Sachwerte zu schützen. Dabei werden bei der dynamischen Messwerterfassung mit hoher Abtastrate die momentane Neigung des Baugeräts 1 und die zeitliche Änderung der Neigung überwacht. Hierfür erfolgt eine Differentiation der Neigungsmesswerte, nämlich Ausführen der ersten und ggf. zweiten Zeitableitung des Messsignals, wobei der Verlust der Lagesicherheit beim Vergleich der Messsignale und abgeleiteten Messsignale bei einem bestimmten kritischen Bewegungsmuster (quasi einem kritischen "Fingerabdruck") detektiert wird.
Dabei können kritische Bewegungsmuster durch Modellrechnungen, empirische Ermittlung oder gesammelten Daten von echten Unfällen vorbestimmt werden und als Zeitreihe von Neigungsdaten, Neigungsraten oder Neigungsbeschleunigungen abgelegt werden, wobei dann die tatsächlich gemessenen Neigungsdaten, ggf. deren erste zeitliche Ableitung oder deren zweite zeitliche Ableitung über ein mitlaufendes Zeitfenster mit diesen vorbestimmten kritischen Bewegungsmustern verglichen werden. Dies kann über mitlaufende Zeitfenster, die vom momentanen Zeitpunkt rückblickend einen Zeitraum von beispielsweise 0,1 bis 10 Sekunden, insbesondere 0,3 bis 3 Sekunden betrachten, durch entsprechende digitale Signalverarbeitung mittels Zeitreihenvergleich, Filtermethoden und/oder Dekonvolution durchgeführt werden. Wichtig ist dabei, dass das rückblickende Zeitfenster kurz genug ist, um noch ausreichende Schutzmaßnahmen vor dem Umstürzen des Baugerätes durchführen zu können, wobei für die Zeitdauer bis zum Aufprall bei einem Umsturz eines Baugerätes durchaus mehrere Sekunden abhängig von den Systemabmessungen des Baugeräts mit Arbeitsgerät und insbesondere seiner Schwerpunktlage anzusetzen sind. Andererseits muss das Fenster ausreichend lang sein, um die entsprechenden kritischen Bewegungsmuster von unkritischen Bewegungsmustern unterscheiden zu können. Für diese Unterscheidung kann auch das mit Planum- und Fahrzeugmodell prädiktiv berechnete Bewegungsverhalten herangezogen werden.
Je nach erkanntem Zustand können dann abgestuft entsprechende Sicherungsmaßnahmen ausgelöst werden. Zunächst reichen Warntöne und Warnleuchten in der Fahrerkabine, um den Baugerätfahrer zu warnen. In einer nächsten Stufe könnten automatische, situationsabhängige Veränderungen mittels Fahrsicherheitsassistent an dem Systemzustand des Baugeräts, beispielsweise Veränderung der Neigung des Anbaugeräts, Ansteuerung des Fahrwerks zum Verfahren des gesamten Baugeräts, Ansteuerung des Drehkranzes zwischen Ober- und Unterwagen und ggf. Ausklappen von ergänzenden Sicherheitsstützen ausgelöst werden. Bei einer Detektion des typischen "Fingerabdrucks" eines Umkippens sind dann sofort die Arbeitsabläufe zu unterbrechen und Sicherheitsmaßnahmen zu aktivieren, die über die Steuereinheit 4 anhand der in der Auswerteeinheit 3 durchgeführten Analyse der Messdaten das Baugerät durch Rausdrehen der Fahrerkabine aus dem unmittelbaren Gefahrenbereich und Auslösen von Gurtstraffer und Fahrerairbags sowie etwaigen Schutzmaßnahmen für das Baugerät selbst und deren Umgebung so beeinflussen, dass das Baugerät mit möglichst geringem Schaden und möglichst ohne Gefährdung von Menschen umstürzen kann.
Somit bietet das erfindungsgemäße System bzw. Verfahren eine Hilfe für Baugerätefahrer zur Unterstützung seiner Tätigkeit, zum Schutz des Baugerätfahrers und insbesondere zur Vermeidung schwerer Umstürze.

Bezugszeichenliste

1: Baugerät
10: Kettenfahrwerk
11: Unterwagen
12: Oberwagen
13: Arbeitsgerät, Rammgerät
14: Fahrerkabine

2: Sensor
21: Neigungssensor
22: Lagesensor

3: Auswerteeinheit
31: Filter

4: Steuereinheit

A: erster kritischer Kippwinkel (1 im Kreis)
B: zweiter kritischer Kippwinkel (2 im Kreis)
C: dritter kritischer Kippwinkel (3 im Kreis)

Z: vertikale Achse

Claims

Baugerätstandsicherungsverfahren für ein auf einem nachgiebigen Planum stehendes oder fahrendes Baugerät (1), wobei
- das Baugerät (1) Arbeitsgeräte (13) und Bauteile aufweist, die zueinander verstellbar sind und einen erfassbaren, veränderlichen Systemzustand bilden, und

- eine kontinuierliche oder mit hoher Abtastrate abgetastete Messung der Neigung des Baugeräts (1) erfolgt,
gekennzeichnet durch die Schritte
- Erstellung eines Planummodells, mit dem die Nachgiebigkeit des Planums bei Belastung vorausberechnet werden kann;

- Berechnen der Belastung des Planums zum jeweiligen Systemzustand des Baugeräts (1);

- Vorausberechnung einer prädiktiven Neigung des Baugerätes (1) unter Berücksichtigung des Systemzustandes und des Planummodells;

- Vergleich der prädiktiven Neigung des Baugerätes (1) mit der aktuell gemessenen Neigung des Baugeräts (1) und iterative Anpassung des Planummodells zur Minimierung der Differenz zwischen prädiktiver Neigung und gemessener Neigung;

- Vergleichen der prädiktiven Neigung zum jeweiligen Systemzustand unter Berücksichtigung des Planummodells mit einem vorgegebenen Kippkriterium und

- Auslösen von Sicherungsmaßnahmen bei Erreichen des Kippkriteriums.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemzustand des Baugeräts (1) als Fahrzeugmodell mit verschiedenen, gekoppelten Massenpunkten simuliert wird.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass äußere Lasten, nämlich am Baugerät angreifende Windlasten und/oder am Baugerät anhaftender Boden im Fahrzeugmodell berücksichtigt werden.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugmodell Veränderungen am Systemzustand des Baugeräts (1) sowie bei den äußeren Lasten dynamisch berücksichtigt.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktmodell zwischen Fahrzeugmodell und Planummodell die gegenseitige Beeinflussung simuliert.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorausberechnung der prädiktiven Neigung des Baugerätes (1) das Fahrzeugmodell und das Planummodell berücksichtigt werden, wobei die prädiktive Neigung des Baugerätes (1) mit der aktuell gemessenen Neigung des Baugeräts (1) verglichen wird und eine iterative Anpassung des Planummodells und des Fahrzeugmodells zur Minimierung der Differenz zwischen prädiktiver Neigung und gemessener Neigung erfolgt.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kippkriterium ein zum jeweiligen Systemzustand passender, kritischer Kippwinkel berechnet wird, der mit der prädiktiven Neigung verglichen wird.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Neigungsmessung und/oder die Daten der prädiktiven Neigung mit vorher bestimmten, kritischen Bewegungsmustern verglichen werden, wobei bei einer Übereinstimmung die Sicherungsmaßnahmen ausgelöst werden.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das vorher bestimmte, kritische Bewegungsmuster eine Zeitreihe von Neigungsdaten, Neigungsraten oder Neigungsbeschleunigungen ist, das mit den jeweiligen Messdaten, deren erster zeitlichen Ableitung oder deren zweiter zeitlichen Ableitung über ein mitlaufendes Zeitfenster verglichen wird.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigungsmessdaten zur Dämpfung und/oder Glättung gefiltert werden.
Baugerätstandsicherungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebung um das Baugerät (1) mit Erkennungssensorik überwacht wird.
Baugerätstandsicherungssystem mit einem auf einem nachgiebigen Planum stehenden oder fahrenden Baugerät (1), das Arbeitsgeräte (13) und Bauteile aufweist, die zueinander verstellbar sind und einen erfassbaren, veränderlichen Systemzustand bilden, und wenigstens einem Neigungssensor (21), dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (3) sowie eine Steuereinheit (4) vorgesehen sind, wobei
- die Auswerteeinheit (3) ein Planummodell enthält, mit dem die Nachgiebigkeit des Planums bei Belastung vorausberechnet werden kann, und vom Neigungssensor (21) gemessene Neigungsdaten unter Berücksichtigung des jeweiligen Systemzustandes gemäß dem Baugerätstandsicherungsverfahren nach Anspruch 1 auswertet und mit vorbestimmten Grenzwerten vergleicht und

- die Steuereinheit (4) von der Auswerteeinheit (3) bei Überschreiten der Grenzwerte zum Verändern des Systemzustandes zur Entlastung des Baugeräts (1) in Kipprichtung angesteuert wird.
Baugerätstandsicherungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Baugerät (1) einen selbstfahrenden Unterwagen (11) mit einem Kettenfahrwerk (10) und darauf drehbar angeordnet einen Oberwagen (12) mit wenigstens einem Arbeitsgerät (13) hat.
Baugerätstandsicherungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgerät (13) am Oberwagen (12) ein Bohrgerät oder Rammgerät (13) ist.
Baugerätstandsicherungssystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Systemsensoren am Baugerät, seinen Arbeitsgeräten und Bauteilen zur Erfassung des Systemzustandes vorgesehen sind, wobei ein erster Neigungssensor im Unterwagen (11) und ein zweiter Neigungssensor im Oberwagen (12) angeordnet sind.