EP3856673A1 - Kran sowie verfahren zum überwachen des betriebs eines solchen krans - Google Patents

Kran sowie verfahren zum überwachen des betriebs eines solchen krans

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EP3856673A1
EP3856673A1 EP19806147.5A EP19806147A EP3856673A1 EP 3856673 A1 EP3856673 A1 EP 3856673A1 EP 19806147 A EP19806147 A EP 19806147A EP 3856673 A1 EP3856673 A1 EP 3856673A1
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EP
European Patent Office
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crane
gravity
load
determined
overall center
Prior art date
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EP19806147.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3856673B1 (de
Inventor
Alexander DANGEL
Manfred FAKLER
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Liebherr Werk Biberach GmbH
Original Assignee
Liebherr Werk Biberach GmbH
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Publication date
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Publication of EP3856673A1 publication Critical patent/EP3856673A1/de
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Publication of EP3856673B1 publication Critical patent/EP3856673B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C23/00—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes
    • B66C23/88—Safety gear
    • B66C23/90—Devices for indicating or limiting lifting moment
    • B66C23/905—Devices for indicating or limiting lifting moment electrical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C23/00—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes
    • B66C23/18—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes specially adapted for use in particular purposes
    • B66C23/26—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes specially adapted for use in particular purposes for use on building sites; constructed, e.g. with separable parts, to facilitate rapid assembly or dismantling, for operation at successively higher levels, for transport by road or rail
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C2700/00—Cranes
    • B66C2700/03—Cranes with arms or jibs; Multiple cranes
    • B66C2700/0321—Travelling cranes
    • B66C2700/0328—Cranes on rails or on rail vehicles
    • B66C2700/0335—Cranes on rails or on rail vehicles with a slewing arm
    • B66C2700/0342—Cranes on rails or on rail vehicles with a slewing arm on a turntable

Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring the operation of a crane, in which an overall center of gravity of the crane is determined with a load attached to it, if any, and its position relative to a tilting edge of the crane is monitored.
  • the invention further relates to a crane, in particular a tower crane, with drive devices for crane and / or load movements, such as a crane controller for controlling the drive devices, the crane controller having a monitoring device for monitoring the crane load and restricting crane movements when a critical crane load is reached .
  • cranes such as construction cranes, for example mobile and / or telescopic construction cranes or tower cranes
  • it is usually monitored by means of a crane control or a monitoring device implemented therein whether the stability of the crane is guaranteed or the load on the crane reaches a critical load limit so that the crane threatens to fall over or into is otherwise endangered, in order to then possibly switch off the corresponding drive devices of the crane in good time or only allow those crane movements which reduce the crane load or at least do not increase it further.
  • NEN the lifting load and the outreach of the lifting load are monitored, for example by determining the pulling force acting on the hoist rope or a torque induced here by the hoist rope winch, and - as far as the unloading is concerned - by the position of a trolley or a unwound trolley length can be done.
  • the sizes mentioned can also be determined in a different way, for example in the case of cranes with a luffing jib, the outreach can be determined by means of the luffing angle and, if appropriate, the respectively telescoped jib length.
  • a load torque acting on the crane can be determined as a result, which can be compared with a corresponding load limit in the form of a limit torque in order to ensure the stability of the crane. If the monitoring device detects that a load that is generally too heavy is being lifted or that a certain lifting load is being moved too far outwards, so that the outreach for this load is too large, the crane controller can, for example, stop the hoist drive and the trolley travel drive to ensure the stability of the crane .
  • the stability of the crane does not only depend on the mentioned lifting capacity and radius, but is also influenced by other operating and influencing factors, such as the speed of movement and acceleration.
  • the document DE 10 2005 035 729 A1 proposes to continuously reduce the speed of the crane drives when the crane approaches its load limit by a corresponding crane movement.
  • the stability of a crane depends not only on the load moment loading the crane, but also on the support base on which the crane rests or stands.
  • cranes are supported on the floor by extendable floor supports, so that there is usually a support rectangle that is defined by the connecting lines through the contact points.
  • Such a support rectangle results in a directional dependence of the stability, since in different rotational positions of the crane around its upright axis of rotation, the load moment counteracts a differently large counter moment, which results from the different lever arm of the supporting forces on the supports.
  • the supports mentioned define tilting edges from which the articulation point of the rotatable upper crane part is at different distances, depending on the direction in which the said upper part is rotated.
  • variably adjustable support bases have recently been used in order to be able to adapt the support system to limited space. For example, if a crane is in a very tight space on a roadside or sidewalk, it is sometimes not possible to extend the supports fully in order to open a maximum-sized support square. In order to be able to use the crane in the above-mentioned installation situation, it is possible to operate the crane with one or more only partially extended guy supports, which of course then has an impact on the stability and must be taken into account by the crane's monitoring device.
  • the document DE 10 2008 021 627 A1 suggests determining the tilting edges of the crane as a function of an actual position of the supports and the overall center of gravity of the crane system, that is to say the crane with the load attached to it.
  • the particular The total center of gravity is then checked by the monitoring device to determine whether it lies within the support surface spanned by the tilting edges.
  • the current position of the center of gravity is shown on a display in the crane cab in relation to the support surface defined by the tipping edges, so that the crane operator can stop the crane movement in good time if the entire center of gravity threatens to approach a tipping edge.
  • the present invention seeks to provide an improved crane and an improved method for monitoring the operation of a crane, avoid the disadvantages of the prior art and advantageously further develop the latter.
  • timely limitation of critical crane movements should be ensured without unnecessarily restricting the efficient operation of the crane with high throughput rates.
  • the stated object is achieved by a method according to claim 1 and a crane according to claim 12.
  • Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. It is therefore proposed to no longer only monitor the overall center of gravity and its distance from a respective tilting edge, but to anticipate possible shifts in the overall center of gravity under different operating and influencing factors and to use the future overall center of gravity in relation to the tilting edge to consider the ver to estimate the remaining load or stability reserve in order to be able to initiate necessary restrictions on crane movements or countermeasures.
  • possible shifts in the overall center of gravity are determined by possible changes in various operating and / or influencing variables, which include at least different crane movements, and the resulting future overall center of gravity, from which the most critical future overall center of gravity with respect to the tipping edge is then selected.
  • a possible restriction of crane movements is then determined based on the location of this most critical future center of gravity with respect to a tipping edge.
  • an outreach reserve can be determined, i.e. the still possible way to increase the outreach, which can still be driven without endangering the stability of the crane.
  • the mentioned unloading reserve can be the way that the trolley can still be moved outwards on the jib.
  • a movement reserve for a possible rotary movement of the crane can also be determined on the basis of said distance of the most critical future center of gravity from the tipping edge. For example, for turning the crane around its upright axis of rotation to the right to a little If the support leg is extended far enough, the angle of rotation to the right can be limited based on the distance mentioned as a movement reserve.
  • the most critical future overall center of gravity mentioned can be determined from the several possible future overall centers of gravity, for example on the basis of the positions of the possible future overall centers of gravity from the tilting edges of the support base of the crane. If all the possible future overall focal points determined lie within the supporting surface spanned by the tilting edges of the support base, the most critical overall center of gravity can be selected from the one that has the smallest distance from a tilting edge. If one or more possible future focal points lie outside of the above-mentioned support base, the overall focal point outside or the total focal point outside the greatest distance from a tilting edge can be selected.
  • the remaining load or stability reserve can be determined, whereby for the described case of a future total center of gravity lying outside the support base, a negative load capacity reserve is obtained, which can lead, for example, to the Monitoring device stops the crane.
  • the device for determining the future center of gravity not only takes into account the various possible crane movements and the mass forces induced thereby from, for example, a possible rotary movement, a possible lifting and / or a possible trolley movement of the crane, but also other influencing variables.
  • a possible shift in the overall center of gravity can be determined, which can result from a wind load.
  • a wind force can be applied for this, which results from the maximum permissible wind speed at which the crane can be operated, or from the difference between a current wind speed and the stated maximum permissible wind speed.
  • different wind directions and, as a result, different shifts in the overall center of gravity can be determined and taken into account, advantageously only one or a few wind directions needing to be taken into account which have an unfavorable influence on the stability of the crane.
  • wind from behind and / or wind from the side can be taken into account with the respectively maximum permissible wind speed for determining a possible shift in the overall center of gravity.
  • a structural deformation of the crane can also be determined for determining the possible displacement of the overall center of gravity, which can result from current operating and / or influencing variables and / or changes in these operating and / or influencing variables .
  • the crane deformation and the resulting shift in the overall center of gravity can be calculated, which occurs due to a certain wind load, for example at a certain wind speed with wind from the front or wind from the side.
  • a crane deformation can also be calculated, which results from mass forces from lifting the load and / or moving the trolley and / or rotating the crane about its upright axis of rotation and / or rocking or luffing the jib can.
  • the overall focus shifts not only due to the travel of the trolley to the outside, but also due to the bending deformation of the tower.
  • the overall center of gravity can shift if, for example, the tower is deformed to the front by a gust of wind from behind.
  • centrifugal forces can be determined and taken into account for the shift of the center of gravity. Such centrifugal forces can on the one hand pull the load on the load hook depending on the lowering depth of the load hook when the crane is rotated about its upright axis of rotation.
  • an additional deformation of the tower or of the telescopic luffing jib can also occur if, in addition to the load, a corresponding centrifugal torque pulls on the crane.
  • a rope break can be taken into account and its impact on a shift in the overall center of gravity can be determined.
  • Such consideration of a rope break can consist, on the one hand, of the fact that the overall system lacks the hook load and its share in the overall center of gravity on the one hand, and on the other hand, due to the sudden breaking of the hook load, a dynamic load acts on the crane, in particular in the form of a load towards the rear of the crane due to the resetting of the previously existing deformations under load.
  • all possible crane movements are advantageously taken into account, all axes of movement in both of their directions being able to be taken into account.
  • a lifting and lowering of the load hook and a turning of the jib about the upright crane rotation axis to the right and to the left can be taken into account.
  • the maximum movement speeds and / or accelerations provided by the crane controller can be used as a basis. Is there still no restriction speeds have been specified by the monitoring device, maximum travel speeds and accelerations can be used as a basis. If there has already been a limitation of the travel speeds or even a single travel speed because, for example, the permissible load limits have already been approximated, the mass forces can be determined on the basis of this already limited speed and / or acceleration and a possible shift in the overall center of gravity therefrom be calculated.
  • the restriction made by the monitoring device on the basis of the position of the most critical possible future overall center of gravity with respect to a tilting edge can fundamentally be different.
  • all crane drives can be restricted accordingly, for example by prescribing a reduced maximum speed and / or by writing a single actuation of the crane drives, in which only one of the several crane drives can be operated simultaneously.
  • the monitoring device can also selectively select or carry out the restriction to be made, in particular on the basis of the crane movement which was the basis of the displacement and the resulting overall focus, which was then selected as the most critical overall focus. If the most critical overall center of gravity has resulted, for example, from a counter-clockwise rotation of the crane, for example because this would lead to a support that is only partially extended, the monitoring device can, for example, lock the slewing gear in the corresponding direction of rotation while lifting and lowering movements of the load hook are still unrestricted possible are. In addition to the selective limitation mentioned, a further crane movement which increases the tipping moment can also be prevented, restricted or limited, for example a further outward movement of the trolley of a tower crane.
  • the tilting edges of the crane are determined on the basis of the respective extended state of the supports of the floor support, in order to be able to take into account different support configurations.
  • sensors can detect the current extension state of the respective support in order to then determine the support base or the tipping edges on the basis of the detected extension values, which can be determined using connecting lines through the contact points.
  • the position and / or orientation of the tilting edges can advantageously also be taken from a data memory in which the tilting edges and their position and orientation can be stored for different extension states.
  • the monitoring device of the crane control can currently calculate the possible displacements and possible future positions of the overall center of gravity and their position relative to the tilting edges on the basis of a respective actual state, in particular on the basis of current sensor values of the relevant parameters.
  • the monitoring device uses the current overall center of gravity as a starting point and determines the possible shifts in the current center of gravity and the resulting ones based on the possible operating and influencing variables and their possible changes, such as actuation of the crane drives, the wind forces mentioned or possible deformations future possible possible focal points, in order to then limit the crane movements in the manner mentioned.
  • the theoretically possible, future center of gravity can also be determined outside the crane control and the monitoring device, in particular already in advance using a model that takes into account the possible different set-up states of the crane and the relevant operating and / or influencing variables and their possible changes are taken into account.
  • the parameter sets calculated in advance on the basis of the model can be used by the control device or the monitoring device of the crane. be provided, for example by means of a data memory in which the respective parameter sets are stored.
  • the monitoring device then only needs to access the parameter sets mentioned and, based on the current center of gravity and / or current positions of the slewing gear, trolley, load hook and / or jib, call up a relevant parameter set which contains the future center of gravity and for a respective current crane position and configuration applies.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a mobile tower crane, the tower supported on a rotating superstructure carries a boom with trolley and the undercarriage is supported by extendable supports on the ground,
  • Fig. 2 a plan view of the crane of Figure 1, which shows the tipping edges, which are defined by the extended supports of the floor support, as well as the current center of gravity and possible future focal positions and the possible movability of the payload, which from the possible future Center of gravity and the resulting stability reserve,
  • the crane 1 can be designed as a mobile construction crane or mobile tower crane, which comprises a tower 2, which is supported on a rotating platform 3, which is seated on an undercarriage 4 and about an upright axis of rotation by means of a slewing gear drive device 9 can be rotated.
  • the mentioned Unterwa conditions 4 can be designed as a truck or movable in another way, but possibly also be a firmly anchored or supported support base.
  • the tower 2 can carry a cantilever 5, which can be rocked up and down about a lying, transverse rocking axis, cf. Fig. 1.
  • a luffing drive device 12 for the boom 5 can rock the boom 5, for example, via the tensioning.
  • a trolley 6 can be mounted to be longitudinally movable, which can be moved by a trolley drive device 11, for example via a corresponding trolley rope.
  • a hoist rope 8 can run, to which a load harness can be connected, for example in the form of a load hook 7, in order to lift a load in a manner known per se.
  • a hoist drive device 10 can drive a hoisting rope drum accordingly.
  • the crane can include further drive devices, for example a telescopic boom with a telescopic drive device 13, a ballast adjustment drive device 15 for adjusting a ballast or a travel drive device 14 for moving the entire crane, which will not normally be the case in the design of the mobile construction crane, as it is jacked up for lifting loads.
  • further drive devices for example a telescopic boom with a telescopic drive device 13, a ballast adjustment drive device 15 for adjusting a ballast or a travel drive device 14 for moving the entire crane, which will not normally be the case in the design of the mobile construction crane, as it is jacked up for lifting loads.
  • the various drives are controlled by a central crane control 16 which, in a manner known per se, can provide corresponding actuation levers or other input means for a crane operator so that the latter can control the various axes of movement of the crane.
  • the crane control 16 comprises a monitoring device 17, which monitors the crane load acting on the crane by means of suitable sensors, in particular the lifting load taken up on the load hook 7 and the outreach which the load hook 7 has with respect to the standing base of the crane.
  • the cantilever can be determined, for example, via the position of the trolley 6 on the boom 5 and, if appropriate, the luffing angle of the boom 5 compared to the horizontal.
  • Said drive devices and / or the crane elements movable therefrom can be monitored by appropriate sensors in their position or in their operating state, so that the crane control 16 or the monitoring device 17 the respective current crane position, that is to say in particular the angle of rotation about the upright crane axis of rotation 18 and thus the orientation of the jib 5, the position of the trolley 6 in the sense of the distance from the tower 2, the sinking depth of the load hook 6 and possibly the luffing angle of the jib 5 and the position of the ballast.
  • the load taken on the load hook 6 can be determined by a lifting load sensor, which measures, for example, the load on the lifting mechanism 10.
  • the current overall center of gravity of the overall system of crane 1 and the lifting load attached to the load hook 7 can be determined by the monitoring device 17, in particular with regard to the position of the current center of gravity relative to the contact area defined by the floor support 19, what is shown in Figure 2.
  • the current position of the overall center of gravity which the monitoring device 17 knows or can determine from the state variables mentioned, for example can calculate or can read from a parameter set intended for the crane configuration, is identified by the letter y.
  • the said monitoring device 17 can determine the tilting edges 20 which result as support lines 19 through the contact points of the floor support 19.
  • the floor support 19 can be wise comprise four supports which can be extended in pairs to opposite sides of the undercarriage 4 and can be lowered to the floor in the respectively extended position.
  • the supports of the floor support 19 can be extended to different extents, so that different geometries of the support surface defined by the tilting edges 20 can result. It is fundamentally possible that the supports mentioned can be extended as desired, for example continuously or in stages, so that any number of differently configured contact surfaces or support surfaces can result.
  • each support is 1/4, 2/4, 3/4 and 4/4 or, for example, 1/3, 2/3 and 3/3 is extensible.
  • the resulting tilting edges 20 and their orientation can either be calculated by the monitoring device currently using sensor signals or can also be read out values stored in the form of parameter sets for the permitted and / or detected extension states.
  • the monitoring device 17 can determine the shift in the overall center of gravity and accordingly possible future overall centers of gravity, which are marked with an x in FIG. 2, the possible shifts for different operating and / or influencing variables and / or their changes can be determined.
  • the various crane movements can be taken into account for the possible shift of the current overall center of gravity towards a possible future overall center of gravity, for example rotating the crane about the upright crane axis of rotation 18, lifting or lowering the load on the load hook 7, moving the trolley 6 , a swinging up or rocking down of the boom 5, optionally telescoping and telescoping the boom 5 and / or a method of ballast.
  • external factors influencing the crane can also be taken into account when determining the possible shifts in the center of gravity.
  • wind forces or a wind load on the crane 1 can be taken into account.
  • Such a wind load can, for example, be taken into account virtually in the form of a mass force additionally struck on the load hook when the wind presses against the tower from behind.
  • a wind force can also be taken into account in the form of an actual shift in the overall center of gravity, in particular by the fact that the wind deflects the lifting load picked up on the load, the lowering depth of the load hook 7 being able to be taken into account here if necessary, since at Lowered load hook allows the load to be deflected further by the wind than when the load hook is moved close to the trolley.
  • a deformation of the crane in particular a bending of the tower 2 by a wind load, can also be taken into account, as was explained at the beginning. For example, presses a wind force from behind against the tower 2, this will deform a bit forward towards the boom 3, which increases the radius of the load hook 7 ver and accordingly shifts the overall center of gravity of the system.
  • a deformation of the crane 1 can also be taken into account, which can occur not only in the manner mentioned by wind loads, but also by other load sizes, in particular the lifting load 7 and lifting forces and mass forces turning the crane 1, moving the trolley 6, lifting or lowering the load hook 7 or another of the crane movements explained.
  • the deformations can be calculated or determined from the mass forces, wind forces and other loads on the crane mentioned will.
  • Such deformations of the crane structure can be determined, for example, on the basis of a model, wherein the deformations occurring for different load sizes can be stored as a parameter set and can be made available to the crane control 16 or the monitoring device 17.
  • the deformations mentioned could also be calculated directly on the basis of the influencing variables.
  • the monitoring device 17 Based on the current overall center of gravity and its location, the monitoring device 17, so to speak, runs through the possible operating and influencing variables and their possible changes, in particular possible crane movements, possible wind loads and possible crane deformations, and uses this to determine various possible displacements and the resulting possible future centers of gravity , which are identified in FIG. 2 by the reference variable x.
  • the monitoring device 17 analyzes the possible future center of gravity positions x in relation to their relative position to the tilting edges 20 and selects as the most critical future overall center of gravity the one that is closest to one of the tilting edges 20. In FIG. 2, this critical future overall center of gravity is also marked with the parameter x k in addition to the letter x.
  • the monitoring device 17 can determine the remaining load or stability reserve, and then determine from the said load or stability reserve how far the radius of the crane can be increased can, for example, by moving the trolley 6 outwards or luffing the boom 5 or telescoping the boom 5.
  • the monitoring device 17 can determine the possible new locations of the payload for all jib positions or rotary positions of the crane for a lifting load respectively received on the load hook 7 1 determine.
  • These possible new locations of the payload for all boom positions are identified in FIG. 2 by the reference number 21 and, approximately, roughly speaking, result in a quadrilateral whose main axes are approximately aligned with the main axes of the footprint of the floor support 19, which are caused by the extended states the supports are determined.
  • this outreach limit 21 is direction-dependent for a specific lifting load received on the load hook 6 and varies for different boom positions or depending on the angle of rotation of the boom 5 about the upright crane axis of rotation 18.
  • reach limits 21 can be determined, based on which the crane 1 or its monitoring device 17 knows how far one on the load hook 7 Load still moved by appropriate crane movements who can. Since the outreach limits 21 are not circular in shape around the axis of rotation 18 of the crane, but rather are roughly contoured - roughly speaking - roughly speaking, the outreach limits 21 can not only be moved outwards or rocked away by moving the trolley 6 of the jib 5 can be reached, but also by rotating the crane 1 about its upright axis of rotation 18.
  • the monitoring device 17 can selectively switch off and / or slow down and / or limit the crane movement, which leads to an achievement. Chen or would lead to a further approach to the outreach limit 21, in particular an outward movement of the trolley 6 and a corresponding rotary movement about the crane axis of rotation 18th
  • the method described for monitoring the operation of a crane and the corresponding crane with the appropriate monitoring device are characterized, among other things, by the following advantageous aspects:
  • the calculation method provides knowledge of all possible focal points of the overall system, which can result from external influences (e.g. wind), mass forces, certain failure conditions (e.g. broken rope) or other influences.
  • external influences e.g. wind
  • mass forces e.g. wind
  • certain failure conditions e.g. broken rope
  • the deformations of the crane system are taken into account when determining the center of gravity.
  • the underlying calculation procedure is designed in such a way that the calculation rules and calculation standards specified for the respective crane configuration and the current crane use are met.
  • the method proactively provides the possible center of gravity of the system for all possible system states. From this, the permitted load locations and the associated gradients for all possible directions of movement can be determinations of the upper crane part and the load are determined at all times and used to control the crane movements.
  • Support pressures could also be stored in the controller and used for additional monitoring / redundancy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Krans (1), bei dem ein Gesamtschwerpunkt des Krans mit einer daran gegebenenfalls angebrachten Last bestimmt und auf seine Lage relativ zu einer Kippkante (20) des Krans hin überwacht wird, wobei mögliche Verschiebungen des Gesamtschwerpunkts durch mögliche Änderungen verschiedener Betriebs- und/oder Einflussgrößen, die zumindest verschiedene Kranbewegungen umfassen, und sich hierdurch ergebende zukünftige Gesamtschwerpunktslagen (x) bestimmt werden, wobei aus den bestimmten mehreren zukünftigen Gesamtschwerpunktslagen der bezüglich der Kippkante kritischste Gesamtschwerpunkt bestimmt und anhand der Lage dieses zukünftigen kritischsten Gesamtschwerpunkts relativ zur Kippkante eine mögliche Beschränkung von Kranbewegungen bestimmt wird.

Description

Kran sowie Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines solchen Krans
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs ei nes Krans, bei dem ein Gesamtschwerpunkt des Krans mit einer daran gegebenen falls angehängten Last bestimmt und auf seine Lage relativ zu einer Kippkante des Krans hin überwacht wird. Die Erfindung betrifft ferner einen Kran, insbesondere Turmdrehkran, mit Antriebseinrichtungen für Kran- und/oder Lastbewegungen, so wie eine Kransteuerung zum Steuern der Antriebseinrichtungen, wobei die Kran- steuerung eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Kranbelastung und Beschränken von Kranbewegungen bei Erreichen einer kritischen Kranbelastung aufweist.
Bei Kranen wie Baukranen, beispielsweise Mobil- und/oder Teleskopbaukranen oder Turmdrehkranen wird üblicherweise mittels einer Kransteuerung bzw. einer darin implementierten Überwachungseinrichtung überwacht, ob die Standfestigkeit des Krans gewährleistet ist oder die Kranbelastung eine kritische Lastgrenze er reicht, sodass der Kran umzufallen droht oder in anderer Weise gefährdet ist, um dann gegebenenfalls rechtzeitig die entsprechenden Antriebseinrichtungen des Krans abzuschalten bzw. nur noch solche Kranbewegungen zuzulassen, die die Kranbelastung reduzieren oder zumindest nicht weiter erhöhen. Insbesondere kön- nen dabei die Hublast und die Ausladung der Hublast überwacht werden, was bei spielsweise über die Bestimmung der am Hubseil wirkenden Zugkraft bzw. ein hier durch an der Hubseilwinde induziertes Drehmoment, und - was die Ausladung an belangt - über die Position einer Laufkatze bzw. eine abgespulte Katzfahrseillänge erfolgen kann. Je nach Krantyp können die genannten Größen aber auch in ande rer Weise bestimmt werden, wobei beispielsweise bei Kranen mit wippbarem Aus leger die Ausladung über den Wippwinkel und gegebenenfalls die jeweils austele- skopierte Auslegerlänge bestimmt werden kann.
Mit der Bestimmung der Hublast und deren Ausladung kann im Ergebnis ein auf den Kran wirkendes Lastmoment bestimmt werden, das mit einer entsprechenden Lastgrenze in Form eines Grenzmoments verglichen werden kann, um die Stand festigkeit des Krans zu gewährleisten. Erkennt die Überwachungseinrichtung, dass eine generell zu schwere Last gehoben wird oder eine bestimmte Hublast zu weit nach außen verfahren wird, sodass die Ausladung für diese Last zu groß wird, kann die Kransteuerung beispielsweise den Hubwerksantrieb und den Katzfahrantrieb stillsetzen, um die Standfestigkeit des Krans sicherzustellen.
Die Standfestigkeit des Krans hängt jedoch nicht ausschließlich von den genannten Größen Hublast und Ausladung ab, sondern wird auch von anderen Betriebs- und Einflussgrößen beeinflusst, beispielsweise von Bewegungsgeschwindigkeit und Beschleunigung. Aus diesem Grund schlägt beispielsweise die Schrift DE 10 2005 035 729 A1 vor, die Geschwindigkeit der Kranantriebe kontinuierlich zu reduzieren, wenn sich der Kran durch eine entsprechende Kran beweg ung seiner Traglastgrenze annähert.
Zudem hängt die Standfestigkeit eines Krans nicht nur maßgeblich von dem den Kran belastenden Lastmoment ab, sondern auch von der Abstützbasis, auf der der Kran ruht bzw. steht. Üblicherweise werden Krane durch ausfahrbare Bodenstützen am Boden abgestützt, sodass sich üblicherweise ein Abstütz-Viereck ergibt, das durch die Verbindungslinien durch die Aufstandspunkte definiert wird. Durch ein solches Abstütz-Viereck ergibt sich eine Richtungsabhängigkeit der Standfestigkeit, da in verschiedenen Drehstellungen des Krans um seine aufrechte Krandrehachse dem Lastmoment ein unterschiedlich großes Gegenmoment entgegenwirkt, wel ches sich aus dem unterschiedlichen Hebelarm der Abstützkräfte an den Stützen ergibt. Die genannten Stützen definieren Kippkanten, von denen der Anlenkpunkt des drehbaren Kranoberteils unterschiedlich weit entfernt ist, je nachdem in welche Richtung der genannte Oberteil verdreht wird.
Hinzu kommt, dass in jüngerer Zeit variabel einstellbare Abstützbasen verwendet werden, um das Abstützsystem an beschränkte Platzverhältnisse anpassen zu können. Steht beispielsweise ein Kran in sehr beengten Platzverhältnissen an ei nem Straßenrand oder Trottoir, ist es manchmal nicht möglich, die Stützen voll ständig auszufahren, um ein maximal großes Abstütz-Viereck aufzuspannen. Um dennoch den Kran in besagter Aufstellsituation einsetzen zu können, ist es möglich, den Kran auch mit einer oder mehreren nur teilweise ausgefahrenen Abspannstüt zen zu betreiben, was natürlich dann Auswirkungen auf die Standfestigkeit hat und von der Überwachungseinrichtung des Krans berücksichtigt werden muss. Durch nicht vollständiges bzw. unterschiedliches Ausfahren der Stützen der Bodenabstüt zung können sich vom Quadrat bzw. Rechteck abweichende Abstützflächen erge ben, bei denen die von den Aufstandspunkten bzw. von Verbindungsgeraden durch die Aufstandspunkte definierte Kippkanten nicht mehr rechteckig bzw. nicht mehr parallel zueinander verlaufen können. Hierdurch wird die zuvor erläuterte Rich tungsabhängigkeit der Standfestigkeit nochmals erhöht, da der Kran ein nur gerin geres Lastmoment abfangen kann, wenn die Last bzw. der Ausleger über die nur teilweise ausgefahrenen Stützen gedreht wird, während der Kran ein größeres Lastmoment abtragen kann, wenn der Ausleger mit der Last über die vollständig ausgefahrenen Stützen gedreht wird.
Um bei solchen variabel konfigurierbaren Bodenabstützungen die Kransicherheit gewährleisten zu können, schlägt die Schrift DE 10 2008 021 627 A1 vor, die Kipp kanten des Krans in Abhängigkeit von einer jeweils erreichten Istposition der Stüt zen zu ermitteln und den Gesamtschwerpunkt des Kransystems, das heißt des Krans mit der daran jeweils angehängten Last, zu bestimmen. Der jeweils bestimm- te Gesamtschwerpunkt wird von der Überwachungseinrichtung sodann daraufhin überprüft, ob er innerhalb der von den Kippkanten aufgespannten Abstützfläche liegt. Auf einem Display im Kranführerhaus wird die aktuelle Lage des Ge samtschwerpunkts in Bezug auf die von den Kippkanten definierte Abstützfläche angezeigt, sodass der Kranführer die Kranbewegung rechtzeitig stoppen kann, wenn sich der Gesamtschwerpunkt bedrohlich einer Kippkante nähert.
Bei einer solchen Überwachung des Gesamtschwerpunkts und dessen Lage be züglich einer Kippkante ist es jedoch nicht ganz einfach, einerseits eine effiziente Kranbedienung zu ermöglichen, bei der der Kranführer eine Nutzlast möglichst un ter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Verfahrgeschwindigkeiten von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt fahren kann, und andererseits ein rechtzeitiges Ab schalten oder Verlangsamen der Kranbewegungen vorzusehen, um eine kritische Kranbelastung sicher zu vermeiden. Werden beispielsweise große Abstände des jeweils erfassten Gesamtschwerpunkts von einer Kippkante als Sicherheitspuffer gefordert, wird die Verfahrbarkeit bzw. Traglast des Krans recht stark beschränkt. Wird umgekehrt nur ein geringerer Sicherheitsabstand des Gesamtschwerpunkts von einer jeweiligen Kippkante gefordert, kann eine entsprechende Kranbewegung vielleicht nicht rasch genug gestoppt werden.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kran sowie ein verbessertes Verfahren zum Überwachen des Be triebs eines Krans zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und letzteren in vorteilhafterweise weiterbilden. Insbesondere soll ein rechtzeitiges Beschränken von kritischen Kranbewegungen sichergestellt werden, ohne einen effizienten Betrieb des Krans mit hohen Umschlagleistungen unnötig zu beschrän ken.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie einen Kran gemäß Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es wird also vorgeschlagen, nicht mehr nur den jeweils erfassten Gesamtschwer punkt und dessen Abstand von einer jeweiligen Kippkante zu überwachen, sondern vorausschauend mögliche Verschiebungen des Gesamtschwerpunkts unter ver schiedenen Betriebs- und Einflussgrößen abzuschätzen und anhand der in Betracht kommenden zukünftigen Gesamtschwerpunktslagen relativ zur Kippkante die ver bleibende Traglast- bzw. Standfestigkeitsreserve abzuschätzen, um notwendige Beschränkungen der Kranbewegungen bzw. Gegenmaßnahmen einleiten zu kön nen. Erfindungsgemäß werden mögliche Verschiebungen des Gesamtschwer punkts durch mögliche Änderungen verschiedener Betriebs- und/oder Einflussgrö ßen, die zumindest verschiedene Kranbewegungen umfassen, und sich hierdurch ergebende, zukünftige Gesamtschwerpunktslagen bestimmt, aus denen dann der bezüglich der Kippkante kritischste zukünftige Gesamtschwerpunkt ausgewählt wird. Anhand der Lage dieses kritischsten zukünftigen Gesamtschwerpunkts be züglich einer Kippkante wird dann eine mögliche Beschränkung von Kranbewegun gen bestimmt. Durch eine solche vorausschauende Bestimmung zukünftiger Ge samtschwerpunktslagen unter Berücksichtigung verschiedener Betriebs- und/oder Einflussgrößen und deren Veränderung können notwendige Gegenmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden, ohne den Kranbetrieb und die Leistungsfähigkeit des Krans unnötig zu beschränken.
Insbesondere kann anhand des Abstands des ausgewählten kritischsten zukünfti gen Gesamtschwerpunkts von der nächstliegenden Kippkante eine Ausladungsre serve bestimmt werden, das heißt der noch mögliche, die Ausladung vergrößernde Weg, der noch gefahren werden kann, ohne die Standfestigkeit des Krans zu ge fährden. Im Falle eines Turmdrehkrans kann die genannte Ausladungsreserve der Weg sein, den die Laufkatze am Ausleger noch nach außen verfahren werden kann. Unter Berücksichtigung der Richtungsabhängigkeit der zulässigen Ausladung aufgrund der typischerweise nicht kreisrunden Abstützfläche der Bodenabstützung des Krans kann anhand des besagten Abstands des kritischsten zukünftigen Ge samtschwerpunkts von der Kippkante aber auch eine Bewegungsreserve für eine mögliche Drehbewegung des Krans bestimmt werden. Für beispielsweise ein Ver drehen des Krans um seine aufrechte Krandrehachse nach rechts auf einen weni- ger weit ausgefahrenen Stützfuß zu, kann anhand des genannten Abstands als Bewegungsreserve der Drehwinkel nach rechts begrenzt werden.
Der genannte kritischste zukünftige Gesamtschwerpunkt kann aus den mehreren möglichen zukünftigen Gesamtschwerpunktslagen beispielsweise anhand der Ab stände der möglichen zukünftigen Gesamtschwerpunkte von den Kippkanten der Abstützbasis des Krans bestimmt werden. Liegen alle ermittelten möglichen zukünf tigen Gesamtschwerpunkte innerhalb der von den Kippkanten der Abstützbasis aufgespannten Abstützfläche, kann als kritischster Gesamtschwerpunkt derjenige ausgewählt werden, der den geringsten Abstand von einer Kippkante hat. Liegt in des einer oder mehrere mögliche zukünftige Gesamtschwerpunkte außerhalb der genannten Abstützbasis, kann der außerhalb liegende Gesamtschwerpunkt bzw. der mit größtem Abstand von einer Kippkante außerhalb liegende Gesamtschwer punkt ausgewählt werden.
Anhand des Abstands des ausgewählten kritischsten Gesamtschwerpunkts von der nächstliegenden Kippkante kann die verbleibende Traglast- bzw. Standfestigkeits reserve bestimmt werden, wobei für den geschilderten Fall eines außerhalb der Abstützbasis liegenden zukünftigen Gesamtschwerpunkts eine negative Traglastre serve erhalten wird, was beispielsweise dazu führen kann, dass die Überwa chungseinrichtung den Kran stillsetzt.
Vorteilhafterweise berücksichtigt die Einrichtung zum Bestimmen der zukünftigen Gesamtschwerpunkte nicht nur die verschiedenen möglichen Kranbewegungen und die hierdurch induzierten Massen kräfte aus beispielsweise einer möglichen Dreh bewegung, einem möglichen Heben und/oder einer möglichen Katzfahrbewegung des Krans, sondern auch darüber hinausgehende Einflussgrößen.
Insbesondere kann eine mögliche Verschiebung des Gesamtschwerpunkts be stimmt werden, die sich durch eine Windlast ergeben kann. Beispielsweise kann hierfür eine Wind kraft angesetzt werden, die sich aus der maximal zulässigen Windgeschwindigkeit ergibt, bei der der Kran betrieben werden darf, oder sich aus der Differenz einer aktuellen Windgeschwindigkeit und der genannten maximal zu lässigen Windgeschwindigkeit ergibt.
Vorteilhafterweise können dabei verschiedene Windrichtungen und sich hierdurch ergebende, unterschiedliche Verschiebungen des Gesamtschwerpunkts bestimmt und berücksichtigt werden, wobei vorteilhafterweise nur eine oder einige Windrich tungen berücksichtigt werden brauchen, die auf die Standfestigkeit des Krans einen ungünstigen Einfluss haben. Beispielsweise kann für die Bestimmung einer mögli chen Verschiebung des Gesamtschwerpunkts Wind von hinten und/oder Wind von der Seite mit der jeweils maximal zulässigen Windgeschwindigkeit berücksichtigt werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann für die Bestimmung der möglichen Verschie bung des Gesamtschwerpunkts auch eine strukturelle Verformung des Krans be stimmt werden, die sich anhand von aktuellen Betriebs- und/oder Einflussgrößen und/oder von Änderungen dieser Betriebs- und/oder Einflussgrößen ergeben kön nen. Insbesondere kann beispielsweise die Kranverformung und die sich hieraus ergebende Verschiebung des Gesamtschwerpunkts berechnet werden, die durch eine bestimmte Windlast, beispielsweise bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit bei Wind von vorne oder Wind von der Seite eintritt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Kranverformung berechnet werden, die sich durch Massen kräfte aus ei nem Anheben der Last und/oder einem Verfahren der Laufkatze und/oder einem Verdrehen des Krans um seine aufrechte Krandrehachse und/oder einem Abwip pen oder Aufwippen des Auslegers ergeben können.
Wird beispielsweise an einem Turmdrehkran die Ausladung einer am Haken hän genden Last durch Verfahren der Laufkatze erhöht, verschiebt sich der Gesamt schwerpunkt nicht nur durch den Verfahrweg der Laufkatze nach außen, sondern auch durch die sich einstellende Biegeverformung des Turms. In ähnlicher Weise kann sich der Gesamtschwerpunkt verschieben, wenn beispielsweise durch eine Windböe von hinten der Turm nach vorne verformt wird. Ferner können Zentrifugalkräfte bestimmt und für die Verschiebung des Ge samtschwerpunkts berücksichtigt werden. Solche Zentrifugalkräfte können beim Verdrehen des Krans um seine aufrechte Krandrehachse einerseits die Last am Lasthaken abhängig von der Senktiefe des Lasthakens nach außen ziehen. Ande rerseits kann sich auch eine zusätzliche Verformung des Turms oder auch des te- leskopierbaren Wippauslegers einstellen, wenn zusätzlich zur Last auch noch ein entsprechendes Zentrifugalmoment am Kran zieht.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Einflussgrößen können beispiels weise auch bestimmte Versagenszustände und deren Auswirkung auf eine Ver schiebung des Gesamtschwerpunkts berücksichtigt werden. Insbesondere kann ein Seilbruch berücksichtigt und dessen Auswirkung auf eine Verschiebung des Ge samtschwerpunkts bestimmt werden. Eine solche Berücksichtigung eines Seil bruchs kann einerseits darin bestehen, dass dem Gesamtsystem einerseits die Ha kenlast und deren Anteil am Gesamtschwerpunkt fehlt und andererseits durch das plötzliche Abreißen der Hakenlast eine dynamische Belastung auf den Kran wirkt, insbesondere in Form einer Belastung zur Rückseite des Krans hin aufgrund der Rückstellung der vormals bestehenden Verformungen unter Last.
Bezüglich der zu bestimmenden möglichen Verschiebungen und sich hieraus erge benden zukünftigen Gesamtschwerpunkte werden vorteilhafterweise sämtliche möglichen Kranbewegungen berücksichtigt, wobei alle Bewegungsachsen in jeder ihrer beiden Richtungen berücksichtigt werden können. Bei einem Turmdrehkran kann insbesondere ein Verfahren der Laufkatze nach außen und nach innen, ein Anheben und Absenken des Lasthakens und ein Verdrehen des Auslegers um die aufrechte Krandrehachse nach rechts und nach links berücksichtigt werden.
Für die Bestimmung der Massenkräfte, die sich aus einem solchen Katzfahren, He ben und Senken des Lasthakens und Verdrehen des Auslegers oder anderer Kran- bewegungen ergeben, können die von der Kransteuerung bestimmungsgemäß vorgesehenen, maximalen Bewegungsgeschwindigkeiten und/oder Beschleunigun gen zugrunde gelegt werden. Ist noch keinerlei Beschränkung der Bewegungsge- schwindigkeiten von der Überwachungseinrichtung vorgegeben worden, können also maximale Verfahrgeschwindigkeiten und -beschleunigungen zugrunde gelegt werden. Hat es bereits eine Beschränkung der Verfahrgeschwindigkeiten oder auch einer einzelnen Verfahrgeschwindigkeit gegeben, weil beispielsweise schon eine Annäherung an die zulässigen Lastgrenzen erfolgt ist, können die Massen kräfte unter Zugrundelegung dieser bereits beschränkten Geschwindigkeit und/oder Be schleunigung bestimmt und daraus eine mögliche Verschiebung des Ge samtschwerpunkts berechnet werden.
Die von der Überwachungseinrichtung anhand der Lage des kritischsten möglichen zukünftigen Gesamtschwerpunkts bezüglich einer Kippkante vorgenommene Be schränkung kann grundsätzlich unterschiedlich beschaffen sein. Beispielsweise können sämtliche Kranantriebe entsprechend beschränkt werden, beispielsweise durch Vorschreiben einer reduzierten Maximalgeschwindigkeit und/oder durch Vor schreiben einer Einzelbetätigung der Kranantriebe, bei der nur noch einer der meh reren Kranantriebe gleichzeitig betrieben werden kann.
Insbesondere kann die Überwachungseinrichtung die vorzunehmende Beschrän kung auch selektiv auswählen bzw. vornehmen, und zwar insbesondere anhand der Kranbewegung, die der Verschiebung und dem daraus resultierenden Gesamt schwerpunkt zugrunde lag, welcher dann als kritischster Gesamtschwerpunkt aus gewählt wurde. Hat sich der kritischste Gesamtschwerpunkt beispielsweise aus einer Drehbewegung des Krans entgegen dem Uhrzeigersinn ergeben, beispiels weise weil dies auf eine nur teilweise ausgefahrene Stütze zuführen würde, kann die Überwachungseinrichtung beispielsweise das Drehwerk in die entsprechende Drehrichtung sperren, während Hebe- und Senkbewegungen des Lasthakens noch unbeschränkt möglich sind. Zusätzlich zu der genannten selektiven Beschränkung kann auch eine weitere das Kippmoment erhöhende Kranbewegung unterbunden, beschränkt oder begrenzt werden, beispielsweise ein weiter nach außen Verfahren der Laufkatze eines Turmdrehkrans. ln vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung werden die Kippkanten des Krans an hand des jeweiligen Ausfahrzustands der Stützen der Bodenabstützung bestimmt, um verschiedene Stützkonfigurationen berücksichtigen zu können. Beispielsweise können Sensoren den aktuellen Ausfahrzustand der jeweiligen Stütze erfassen, um dann anhand der erfassten Ausfahrwerte die Abstützbasis bzw. die Kippkanten zu bestimmen, die anhand von Verbindungslinien durch die Aufstandspunkte ermittelt werden können.
Vorteilhafterweise kann die Lage und/oder Ausrichtung der Kippkanten auch aus einem Datenspeicher entnommen werden, in dem die Kippkanten und deren Lage und Ausrichtung für verschiedene Ausfahrzustände abgelegt sein kann.
Die Überwachungseinrichtung der Kransteuerung kann die möglichen Verschie bungen und möglichen zukünftigen Lagen des Gesamtschwerpunkts und deren Position relativ zu den Kippkanten jeweils aktuell unter Zugrundelegung eines je weiligen Istzustands, insbesondere auf Basis jeweils aktueller Sensorwerte der re levanten Parameter, berechnen. Die Überwachungseinrichtung legt dabei den ak tuellen Gesamtschwerpunkt als Ausgangslage zugrunde und bestimmt anhand der möglichen Betriebs- und Einflussgrößen und deren möglichen Änderungen wie bei spielsweise einer Betätigung der Kranantriebe, der genannten Windkräfte oder möglicher Verformungen die möglichen Verschiebungen des aktuellen Ge samtschwerpunkts und die sich hieraus ergebenden zukünftigen, möglichen Ge samtschwerpunkte, um dann in der genannten Weise Beschränkungen der Kran bewegungen vorzunehmen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Bestimmung der theoretisch möglichen, zukünf tigen Schwerpunktslagen aber auch außerhalb der Kransteuerung und der Über wachungseinrichtung erfolgen, insbesondere bereits im Voraus anhand eines Mo dells, das die möglichen verschiedenen Rüstzustände des Krans berücksichtigt und die relevanten Betriebs- und/oder Einflussgrößen und deren mögliche Änderungen berücksichtigt. Die anhand des Modells im Voraus berechneten Parametersätze können der Steuervorrichtung bzw. der Überwachungseinrichtung des Krans be- reitgestellt werden, beispielsweise mittels eines Datenspeichers, in dem die jeweili gen Parametersätze abgelegt sind. Die Überwachungseinrichtung braucht dann lediglich auf die genannten Parametersätze zugreifen und anhand des aktuellen Gesamtschwerpunkts und/oder aktueller Stellungen von Drehwerk, Laufkatze, Lasthaken und/oder Ausleger einen jeweils einschlägigen Parametersatz aufrufen, der die zukünftigen Schwerpunktslagen beinhaltet und für eine jeweilige aktuelle Kranposition und -konfiguration gilt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Seitenansicht eines mobilen Turmdrehkrans, dessen auf einen drehbaren Oberwagen abgestützter Turm einen Ausleger mit Laufkatze trägt und dessen Unterwagen durch ausfahrbare Stützen am Boden abgestützt wird,
Fig. 2: eine Draufsicht auf den Kran aus Figur 1 , die die Kippkanten, die durch die ausgefahrenen Stützen der Bodenabstützung definiert werden, sowie die aktuelle Schwerpunktlage und mögliche zukünftige Schwerpunktla gen und die mögliche Verfahrbarkeit der Nutzlast zeigt, die aus den mög lichen zukünftigen Schwerpunktlagen und der sich hieraus ergebenden Standfestigkeitsreserve ergibt,
Fig. 3: eine Darstellung der sich für verschiedene Hublasten und für verschie dene Auslegerstellungen ergebenden zulässigen Ausladungen bzw. Ausladungsgrenzen bei vollständig ausgefahrenen Stützen der Boden abstützung,
Fig. 4: eine Darstellung der Ausladungsgrenzen für verschiedene Hublasten ähnlich Figur 3, jedoch für nicht vollständig ausgefahrene Stützen der Bodenabstützung. Wie Fig. 1 zeigt, kann der Kran 1 als Mobilbaukran bzw. mobiler Turmdrehkran ausgebildet sein, der einen Turm 2 umfasst, der auf einer Drehbühne 3 abgestützt ist, die auf einem Unterwagen 4 sitzt und um eine aufrechte Drehachse mittels ei ner Drehwerks-Antriebseinrichtung 9 gedreht werden kann. Der genannte Unterwa gen 4 kann als Lastkraftwagen oder in anderer Weise verfahrbar ausgebildet sein, ggf. aber auch eine fest verankerte bzw. abgestützte Abstützbasis sein.
Der Turm 2 kann einen Ausleger 5 tragen, der um eine liegende, quer verlaufende Wippachse auf und nieder wippbar sein kann, vgl. Fig. 1. Eine Wipp- Antriebseinrichtung 12 für den Ausleger 5 kann beispielsweise über die Ab spannverseilung den Ausleger 5 wippen.
An dem genannten Ausleger 5 kann eine Laufkatze 6 längsverfahrbar gelagert sein, die durch einen Laufkatzen-Antriebseinrichtung 11 beispielsweise über ein entspre chendes Katzfahrseil verfahren werden kann. Über die genannte Laufkatze 6 kann ein Hubseil 8 ablaufen, an dem ein Lastgeschirr beispielsweise in Form eines Last hakens 7 angebunden sein kann, um eine Last in an sich bekannter Weise zu he ben. Eine Hubwerks-Antriebseinrichtung 10 kann eine Hubseiltrommel hierfür ent sprechend antreiben.
Optional und deshalb nur angedeutet kann der Kran weitere Antriebseinrichtungen umfassen, beispielsweise könnte ein teleskopierbarer Ausleger mit einer Telesko- pierantriebseinrichtung 13, eine Ballast-Verstell-Antriebseinrichtung 15 zum Verstel len eines Ballasts oder eine Verfahr-Antriebseinrichtung 14 zum Verfahren des ganzen Krans vorgesehen sein, was in der gezeichneten Ausführung des Mobil- baukrans regelmäßig nicht der Fall sein wird, da dieser zum Heben von Lasten auf gebockt ist.
Die verschiedenen Antriebe werden von einer zentralen Kransteuerung 16 gesteu ert, die in an sich bekannter Weise für einen Kranführer entsprechende Betäti gungshebel oder andere Eingabemittel vorsehen kann, damit dieser die verschie denen Bewegungsachsen des Krans steuern kann. Die Kransteuerung 16 umfasst eine Überwachungseinrichtung 17, die durch geeignete Sensoren die auf den Kran einwirkende Kranbelastung überwacht, insbesondere die am Lasthaken 7 aufge nommene Hublast sowie die Ausladung, die der Lasthaken 7 bezüglich der Stand basis des Krans hat. Die genannte Ausladung kann beispielsweise über die Positi on der Laufkatze 6 am Ausleger 5 und ggf. den Wippwinkel des Auslegers 5 ge genüber der Horizontalen bestimmt werden.
Die genannten Antriebseinrichtungen und/oder die hiervon bewegbaren Kranele mente können durch entsprechende Sensoren in ihrer Stellung bzw. in ihrem Be triebszustand überwacht werden, sodass die Kransteuerung 16 bzw. die Überwa chungseinrichtung 17 die jeweils aktuelle Kranstellung, also insbesondere den Drehwinkel um die aufrechte Krandrehachse 18 und damit die Ausrichtung des Auslegers 5, die Stellung der Laufkatze 6 im Sinne des Abstands vom Turm 2, die Senktiefe des Lasthakens 6 und gegebenenfalls den Wippwinkel des Auslegers 5 und die Stellung des Ballasts kennt. Zudem kann durch einen Hublastsensor, der beispielsweise die Belastung des Hubwerks 10 misst, die am Lasthaken 6 aufge nommene Last bestimmt werden.
Aus diesen aktuellen Zustandsgrößen des Krans 1 kann der aktuelle Gesamt schwerpunkt des Gesamtsystems aus Kran 1 und am Lasthaken 7 angeschlagener Hublast von der Überwachungseinrichtung 17 bestimmt werden, und zwar insbe sondere hinsichtlich der Lage des aktuellen Gesamtschwerpunkts relativ zu der von der Bodenabstützung 19 definierten Aufstandsfläche, was in Figur 2 gezeigt ist.
In Figur 2 ist die aktuelle Lage des Gesamtschwerpunkts, die die Überwachungs einrichtung 17 aus den genannten Zustandsgrößen kennt bzw. bestimmen kann, beispielsweise berechnen kann oder aus einem für die Krankonfiguration bestimm ten Parametersatz auslesen kann, mit dem Buchstaben y gekennzeichnet.
Zum anderen kann die genannte Überwachungseinrichtung 17 die Kippkanten 20 bestimmen, die sich als Verbindungslinien durch die Aufstandspunkte der Boden abstützung 19 ergeben. Wie Figur 2 zeigt, kann die Bodenabstützung 19 beispiels- weise vier Stützen umfassen, die paarweise zu gegenüberliegenden Seiten des Unterwagens 4 hin ausfahrbar sind und in der jeweils ausgefahrenen Stellung auf den Boden absenkbar sind. Wie Figur 2 zeigt, können die Stützen der Bodenab stützung 19 unterschiedlich weit ausgefahren werden, sodass sich verschiedene Geometrien der von den Kippkanten 20 definierten Abstützfläche ergeben können. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass die genannten Stützen beliebig, beispiels weise stufenlos oder stufenweise ausgefahren werden können, sodass sich eine beliebige Vielzahl an unterschiedlich konfigurierten Aufstands- bzw. Abstützflächen ergeben können. In der Praxis kann es jedoch sinnvoll sein, nur einige, wenige Ausfahrzustände für die Stützen zuzulassen, beispielsweise dergestalt, dass jede Stütze 1/4, 2/4, 3/4 und 4/4 oder beispielsweise 1/3, 2/3 und 3/3 weit ausfahrbar ist. Die sich ergebenden Kippkanten 20 und deren Ausrichtung können von der Über wachungseinrichtung entweder anhand von Sensorsignalen aktuell berechnet oder auch für die zugelassenen und/oder erfassten Ausfahrzustände in Form von Para metersätzen abgespeicherten Werten ausgelesen werden.
Ausgehend von der aktuellen Gesamtschwerpunktslage, die in der Figur 2 mit y bezeichnet ist, kann die Überwachungseinrichtung 17 die Verschiebung des Ge samtschwerpunkts und dementsprechend mögliche zukünftige Gesamtschwer punktslagen, die in der Figur 2 mit einem x gekennzeichnet sind, bestimmen, wobei die möglichen Verschiebungen für verschiedene Betriebs- und/oder Einflussgrößen und/oder deren Änderungen bestimmt werden können.
Insbesondere können für die mögliche Verschiebung des aktuellen Gesamtschwer punkts hin zu einem möglichen zukünftigen Gesamtschwerpunkt die verschiede nen Kranbewegungen berücksichtigt werden, also beispielsweise ein Verdrehen des Krans um die aufrechte Krandrehachse 18, ein hieben oder Senken der Last am Lasthaken 7, ein Verfahren der Laufkatze 6, ein Aufwippen oder Niederwippen des Auslegers 5, gegebenenfalls ein Einteleskopieren und Austeleskopieren des Auslegers 5 und/oder ein Verfahren des Ballasts. Zusätzlich zu den möglichen Kranbewegungen und den sich hieraus ergebenden Massenkräften können für die Bestimmung der möglichen Verschiebungen der Schwerpunktslage auch externe Einflussgrößen auf den Kran berücksichtigt wer den. Insbesondere können Windkräfte bzw. eine Windlast auf den Kran 1 berück sichtigt werden.
Dabei kann eine solche Windlast beispielsweise virtuell in Form einer zusätzlich am Lasthaken angeschlagenen Massen kraft berücksichtigt werden, wenn der Wind von hinten gegen den Turm drückt. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Wind kraft aber auch in Form einer tatsächlichen Verschiebung des Gesamtschwer punkts berücksichtigt werden, insbesondere dadurch, dass der Wind die am Last haken aufgenommene Hublast auslenkt, wobei hier gegebenenfalls die Senktiefe des Lasthakens 7 berücksichtigt werden kann, da sich bei tiefer abgesenktem Last haken die Last vom Wind weiter auslenken lässt als bei nahe an der Laufkatze ge fahrenem Lasthaken. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine Verformung des Krans, insbesondere eine Biegung des Turms 2 durch eine Windlast berück sichtigt werden, wie dies eingangs erläutert wurde. Drückt beispielsweise eine Wind kraft von hinten gegen den Turm 2, wird sich dieser ein Stück weit nach vorne zum Ausleger 3 hin verformen, wodurch sich die Ausladung des Lasthakens 7 ver größert und dementsprechend der Gesamtschwerpunkt des Systems verschiebt.
Für die Bestimmung der möglichen zukünftigen Gesamtschwerpunkte x kann ins besondere auch eine Verformung des Krans 1 Berücksichtigung finden, die nicht nur in der genannten Weise durch Windlasten auftreten kann, sondern auch durch andere Belastungsgrößen, insbesondere die am Lasthaken 7 aufgenommene Hub last und Massen kräfte aus einem Verdrehen des Krans 1 , einem Verfahren der Laufkatze 6, einem Heben oder Senken des Lasthakens 7 oder einer anderen der erläuterten Kranbewegungen.
Da die Kran Struktur und damit einhergehend deren Verformungseigenschaften un ter Lasten bekannt sind, kann aus den genannten Massen kräften, Windkräften und sonstigen am Kran zerrenden Lasten dessen Verformung berechnet bzw. bestimmt werden. Solche Verformungen der Kranstruktur können beispielsweise anhand ei nes Modells bestimmt werden, wobei die sich für verschiedene Belastungsgrößen einstellenden Verformungen als Parametersatz abgespeichert und der Kransteue rung 16 bzw. der Überwachungseinrichtung 17 abrufbar bereitgestellt werden kön nen. Alternativ könnten die genannten Verformungen aber auch direkt aktuell an hand der Einflussgrößen berechnet werden.
Ausgehend vom aktuellen Gesamtschwerpunkt und dessen Lage spielt die Über wachungseinrichtung 17 sozusagen die möglichen Betriebs- und Einflussgrößen und deren möglichen Änderungen, insbesondere mögliche Kranbewegungen, mög liche Windlasten und mögliche Kranverformungen durch und bestimmt hieraus ver schiedene mögliche Verschiebungen und die sich ergebenden möglichen zukünfti gen Schwerpunktslagen, die in Figur 2 mit der Bezugsgröße x gekennzeichnet sind.
Die Überwachungseinrichtung 17 analysiert die möglichen zukünftigen Schwer punktslagen x auf ihre Relativposition zu den Kippkanten 20 hin und wählt als kri tischsten zukünftigen Gesamtschwerpunkt denjenigen aus, der sich am nächsten an einer der Kippkanten 20 befindet. In der Figur 2 ist dieser kritische zukünftige Gesamtschwerpunkt zusätzlich zum Buchstaben x auch noch mit der Kenngröße xk gekennzeichnet.
Anhand des Abstands des kritischen zukünftigen Gesamtschwerpunkts xk von der nächstliegenden Kippkante 20 kann die Überwachungseinrichtung 17 die verblei bende Traglast- bzw. Standfestigkeitsreserve bestimmen, und sodann aus der be sagten Traglast- bzw. Standfestigkeitsreserve ermitteln, wie weit die Ausladung des Krans noch erhöht werden kann, beispielsweise durch Verfahren der Laufkatze 6 nach außen oder Abwippen des Auslegers 5 oder Austeleskopieren des Auslegers 5.
Die bei noch sichergestellter Standsicherheit gegebene Verfahrbarkeit bzw. Ver größerung der Ausladung, die in der genannten Weise aus dem kritischen zukünfti- gen Gesamtschwerpunkt bestimmt wurde, ist in der Figur 2 durch den Pfeil symbo lisiert, der die beiden Laufkatzpositionen A und B verbindet.
Unter Berücksichtigung der Kippkanten 20 und der jeweiligen Ausladung und Posi tion, die sich durch das Ausfahren der Stützen ändern kann, kann die Überwa chungseinrichtung 17 für eine jeweils am Lasthaken 7 aufgenommene Hublast die möglichen neuen Orte der Nutzlast für alle Auslegerpositionen bzw. Drehstellungen des Krans 1 bestimmen. Diese möglichen neuen Orte der Nutzlast für alle Ausle gerpositionen sind in Figur 2 mit der Bezugsziffer 21 gekennzeichnet und ergeben - näherungsweise, grob gesprochen - ein Viereck, dessen Hauptachsen sich nähe rungsweise an den Hauptachsen der Aufstandsfläche der Bodenabstützung 19 ori entieren, die durch die Ausfahrzustände der Stützen bestimmt werden.
Wie Figur 2 verdeutlicht, ist diese Ausladungsgrenze 21 für eine bestimmte am Lasthaken 6 aufgenommene Hublast richtungsabhängig und variiert für verschie dene Auslegerstellungen bzw. in Abhängigkeit des Drehwinkels des Auslegers 5 um die aufrechte Krandrehachse 18.
Wie Figur 3 zeigt, können für verschiedene Nutzlasten bzw. verschiedene am Last haken 7 angeschlagene Hublasten jeweils entsprechende, immer größer oder je weils kleiner werdende Ausladungsgrenzen 21 bestimmt werden, anhand derer der Kran 1 bzw. seine Überwachungseinrichtung 17 weiß, wie weit eine am Lasthaken 7 aufgenommene Last durch entsprechende Kranbewegungen noch bewegt wer den kann. Da die genannten Ausladungsgrenzen 21 nicht kreisförmig um die Kran- drehachse 18 geformt sind, sondern - näherungsweise, grob gesprochen - recht eckig bzw. viereckig konturiert sind, können die genannten Ausladungsgrenzen 21 nicht nur durch ein Verfahren der Laufkatze 6 nach außen bzw. ein Abwippen des Auslegers 5 erreicht werden, sondern auch durch ein Verdrehen des Krans 1 um seine aufrechte Krandrehachse 18.
Dementsprechend kann die Überwachungseinrichtung 17 selektiv die Kranbewe gung abschalten und/oder verlangsamen und/oder begrenzen, die zu einem Errei- chen bzw. einem weiteren Annähern an die genannte Ausladungsgrenze 21 führen würde, also insbesondere ein nach außen Verfahren der Laufkatze 6 und eine ent sprechende Drehbewegung um die Krandrehachse 18.
Wie ein Vergleich der Figuren 3 und 4 zeigt, ergeben sich für unterschiedliche Aus fahrzustände der Stützen der Bodenabstützung 19 verschieden geformte Ausla dungsgrenzen 21.
Damit zeichnet sich das beschriebene Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Krans sowie damit einhergehend der entsprechende Kran mit der dazu pas send ausgebildeten Überwachungseinrichtung unter anderem durch die folgenden vorteilhaften Aspekte aus:
Das Berechnungsverfahren liefert dabei Kenntnisse aller möglichen Schwer punktlagen des Gesamtsystems, die sich aufgrund äußerer Einflüsse (z.B. Wind), Massen kräften, bestimmten Versagenszuständen (z.B. Seilbruch) oder anderer Einflüsse ergeben können.
Ausgehend von der jeweils vorliegenden Krankonfiguration und Lastposition werden alle Systemzustände mit den zugehörigen Schwerpunktlagen, die sich während des Betriebs ergeben könnten, berücksichtigt.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden die Verformungen des Kransystems bei der Bestimmung der Schwerpunktlagen mitberücksichtigt.
Dabei werden aus allen untersuchten Zuständen diejenigen verwendet, die zur kleinsten Sicherheit gegen Kippen des Systems oder zur Überschreitung von einzelnen Bauteilbelastungen führen würden.
Das zugrundeliegende Rechenverfahren ist so gestaltet, dass die für die je weils vorhandene Krankonfiguration und den aktuell vorliegenden Kraneinsatz vorgegebenen Berechnungsvorschriften und Berechnungsnormen erfüllt wer den.
Das Verfahren liefert vorausschauend für alle möglichen Systemzustände die möglichen Schwerpunktlagen des Systems. Daraus können die erlaubten Lastorte und die zugehörigen Gradienten für alle möglichen Bewegungsrich- tungen des Kranoberteils und der Last zu jeder Zeit bestimmt, und zur Steue rung der Kranbewegungen herangezogen werden.
Bei der Ermittlung der zulässigen Lastgröße und Lastposition werden zusätzli che, in der Steuerung hinterlegte Grenzen mit herangezogen. Damit können andere begrenzende Systemzustände der beteiligten Baugruppen berücksich tigt werden.
Stützendrücke könnten mit in der Steuerung abgelegt und zur zusätzlichen Überwachung/Redundanz herangezogen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Krans (1 ), bei dem ein Ge samtschwerpunkt (y) des Krans (1 ) mit einer daran gegebenenfalls ange brachten Last bestimmt und auf seine Lage relativ zu einer Kippkante (20) des Krans (1 ) hin überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass mögliche Verschiebungen des Gesamtschwerpunkts durch mögliche Änderungen ver schiedener Betriebs- und/oder Einflussgrößen, die zumindest verschiedene Kranbewegungen umfassen, und sich hierdurch ergebende zukünftige Ge samtschwerpunktslagen (x) bestimmt werden, wobei aus den bestimmten mehreren zukünftigen Gesamtschwerpunktslagen (x) der bezüglich der Kippkante (20) kritischste Gesamtschwerpunkt (xk) bestimmt und anhand der Lage dieses zukünftigen kritischsten Gesamtschwerpunkts (xk) relativ zur Kippkante (20) eine mögliche Beschränkung von Kranbewegungen be stimmt wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der kritischste zu künftige Gesamtschwerpunkt (xk) anhand dessen Abstand von der Kippkan- te (20) ausgewählt wird, wobei aus dem Abstand des ausgewählten kri tischsten Gesamtschwerpunkts von der Kippkante (20) eine Traglast- und/oder Standfestigkeitsreserve bestimmt wird, anhand derer das Kippmo ment erhöhende und/oder die Standfestigkeit verringernde Kranbewegungen wahlweise beschränkt oder freigegeben werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die genannte mögliche Beschränkung von Kranbewegungen ein Abschalten und/oder Be grenzen einer Kranbewegung, eine Verringerung der maximalen Geschwin digkeit oder maximalen Beschleunigung einer Kranbewegung und/oder eine Beschränkung auf eine Einzelbetätigung eines Kranantriebs bei gleichzeitig stillgesetzten anderen Kranantrieben umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mögliche Verschiebung des Gesamtschwerpunkts und eine damit einhergehende mögliche zukünftige Gesamtschwerpunktslage (y) durch eine auftretende, insbesondere maximal zulässige Windlast bestimmt wird.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mögliche Ver schiebung des Gesamtschwerpunkts unter Zugrundelegung der Windlast aus zumindest einer bestimmten Windrichtung, insbesondere einer Windrich tung von hinten und/oder einer Windrichtung von der Seite, bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mögliche Verschiebung des Gesamtschwerpunkts und eine damit einhergehende mögliche zukünftige Gesamtschwerpunktslage (y) in Folge einer Verformung des Krans (1 ) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mögliche Verschiebung des Gesamtschwerpunkts und ein damit einhergehender mög licher zukünftiger Gesamtschwerpunkt (y) durch den Einfluss der Massen kräfte aus Kranbewegungen, insbesondere aus einem Drehen, Heben und/oder Katzfahren, bestimmt wird. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mögliche Verschiebung des Gesamtschwerpunkts und eine damit einhergehende, mögliche zukünftige Gesamtschwerpunktslage (y) unter Berücksichtigung einer Zentrifugalkraft, die auf den Kran (1 ) und/oder die daran angeschlage ne Hublast wirkt, bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kippkante (20) und deren Lage und Ausrichtung relativ zur aufrechten Krandrehachse
(18) in Abhängigkeit der Ausfahrweite der Stützen einer Bodenabstützung
(19) bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine jewei lige am Lasthaken (7) aufgenommene Hublast und/oder jeweils für beliebige am Lasthaken (7) aufgenommene Hublasten in Abhängigkeit der Kippkante
(20) und deren Lage und in Abhängigkeit der bestimmten möglichen Ver schiebungen des Gesamtschwerpunkts jeweils eine Ausladungsgrenze (21 ) bestimmt wird, die für verschiedene Drehstellungen des Krans (1 ) verschie dene Werte annimmt.
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei anhand der nicht kreisförmigen Ausladungsgrenze (21 ) für die jeweils am Lasthaken (7) an genommene Hublast ein Verfahren der Laufkatze (6) nach außen und/oder ein Abwippen des Auslegers (5) einerseits und ein Verdrehen des Krans um die aufrechte Krandrehachse (18) beschränkt wird.
12. Kran, insbesondere Turmdrehkran, mit Antriebseinrichtungen (9, 10, 11 , 12, 13, 14, 15) für Kran- und/oder Lastbewegungen, sowie einer Kransteuerung (16) zum Steuern der Antriebseinrichtungen, wobei die Kransteuerung (16) eine Überwachungseinrichtung (17) zum Überwachen der Kranbelastung und Beschränken von Kranbewegungen bei Erreichen von kritischen Kran- belastungen aufweist, wobei die genannte Überwachungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, einen Gesamtschwerpunkt (x) des Krans mit einer da ran gegebenenfalls angehängten Last auf seine Lage relativ zu einer Kipp- kante (20) des Krans (1 ) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, mögliche Verschiebun gen des Gesamtschwerpunkts (x) durch mögliche Änderungen verschiede ner Betriebs- und/oder Einflussgrößen, die zumindest verschiedene Kranbe wegungen umfassen, und sich hierdurch ergebende zukünftige Gesamt schwerpunktslagen (y) zu bestimmen, sowie aus den bestimmten mehreren zukünftigen Gesamtschwerpunktslagen (y) den bezüglich der Kippkante (20) kritischsten Gesamtschwerpunkt (xk) zu bestimmen und anhand der Lage dieses zukünftigen kritischsten Gesamtschwerpunkts (xk) relativ zur Kipp kante (20) eine mögliche Beschränkung von Kranbewegungen zu bestim men.
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