EP3856673B1

EP3856673B1 - Kran sowie verfahren zum überwachen des betriebs eines solchen krans

Info

Publication number: EP3856673B1
Application number: EP19806147.5A
Authority: EP
Inventors: Alexander DANGEL; Manfred FAKLER
Original assignee: Liebherr Werk Biberach GmbH
Current assignee: Liebherr Werk Biberach GmbH
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2022-11-02
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: ES2937812T3; CN113165855A; US12202712B2; EP3856673A1; DE102018129352A1; WO2020104282A1; CN113165855B; US20210276840A1; BR112021009188A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Krans, bei dem ein Gesamtschwerpunkt des Krans mit einer daran gegebenenfalls 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, sowie eine Kransteuerung zum Steuern der Antriebseinrichtungen, wobei die Kransteuerung 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 erreicht, 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, vgl. beispielsweise EP 2 578 757 A1 . Insbesondere können dabei die Hublast und die Ausladung der Hublast überwacht werden, was beispielsweise über die Bestimmung der am Hubseil wirkenden Zugkraft bzw. ein hierdurch an der Hubseilwinde induziertes Drehmoment, und - was die Ausladung anbelangt - über die Position einer Laufkatze bzw. eine abgespulte Katzfahrseillänge erfolgen kann. Je nach Krantyp können die genannten Größen aber auch in anderer Weise bestimmt werden, wobei beispielsweise bei Kranen mit wippbarem Ausleger die Ausladung über den Wippwinkel und gegebenenfalls die jeweils austeleskopierte 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 Standfestigkeit 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 Kranbewegung seiner Traglastgrenze annähert. Ferner schlägt die DE 10 2008 021 627 A1 für die Überwachung der Kranbelastungen vor, den Gesamtschwerpunkt des Krans inklusive der angehängten Last auf seine Lage relativ zu einer Kippkante des Krans zu überwachen. DE 10 2008 021627 A1 offenbart alle Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1, bzw. des Anspruchs 12.
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, welches 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 einem Straßenrand oder Trottoir, ist es manchmal nicht möglich, die Stützen vollständig 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 Abspannstützen 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 Bodenabstützung können sich vom Quadrat bzw. Rechteck abweichende Abstützflächen ergeben, 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 Richtungsabhängigkeit der Standfestigkeit nochmals erhöht, da der Kran ein nur geringeres 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 Kippkanten des Krans in Abhängigkeit von einer jeweils erreichten Istposition der Stützen zu ermitteln und den Gesamtschwerpunkt des Kransystems, das heißt des Krans mit der daran jeweils angehängten Last, zu bestimmen. Der jeweils bestimmte 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 Gesamtschwerpunkts 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 bezüglich einer Kippkante ist es jedoch nicht ganz einfach, einerseits eine effiziente Kranbedienung zu ermöglichen, bei der der Kranführer eine Nutzlast möglichst unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Verfahrgeschwindigkeiten von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt fahren kann, und andererseits ein rechtzeitiges Abschalten 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 Betriebs 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 beschränken.
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 Gesamtschwerpunkt und dessen Abstand von einer jeweiligen Kippkante zu überwachen, sondern vorausschauend mögliche Verschiebungen des Gesamtschwerpunkts unter verschiedenen Betriebs- und Einflussgrößen abzuschätzen und anhand der in Betracht kommenden zukünftigen Gesamtschwerpunktslagen relativ zur Kippkante die verbleibende Traglast- bzw. Standfestigkeitsreserve abzuschätzen, um notwendige Beschränkungen der Kranbewegungen bzw. Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Erfindungsgemäß werden mögliche Verschiebungen des Gesamtschwerpunkts durch mögliche Änderungen verschiedener Betriebs- und/oder Einflussgrößen, 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 bezüglich einer Kippkante wird dann eine mögliche Beschränkung von Kranbewegungen bestimmt. Durch eine solche vorausschauende Bestimmung zukünftiger Gesamtschwerpunktslagen 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 zukünftigen Gesamtschwerpunkts von der nächstliegenden Kippkante eine Ausladungsreserve bestimmt werden, das heißt der noch mögliche, die Ausladung vergrößernde Weg, der noch gefahren werden kann, ohne die Standfestigkeit des Krans zu gefährden. 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 Gesamtschwerpunkts von der Kippkante aber auch eine Bewegungsreserve für eine mögliche Drehbewegung des Krans bestimmt werden. Für beispielsweise ein Verdrehen des Krans um seine aufrechte Krandrehachse nach rechts auf einen weniger 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 Abstände der möglichen zukünftigen Gesamtschwerpunkte von den Kippkanten der Abstützbasis des Krans bestimmt werden. Liegen alle ermittelten möglichen zukünftigen 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 indes 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 Gesamtschwerpunkt ausgewählt werden.
Anhand des Abstands des ausgewählten kritischsten Gesamtschwerpunkts von der nächstliegenden Kippkante kann die verbleibende Traglast- bzw. Standfestigkeitsreserve bestimmt werden, wobei für den geschilderten Fall eines außerhalb der Abstützbasis liegenden zukünftigen Gesamtschwerpunkts eine negative Traglastreserve erhalten wird, was beispielsweise dazu führen kann, dass die Überwachungseinrichtung den Kran stillsetzt.
Vorteilhafterweise berücksichtigt die Einrichtung zum Bestimmen der zukünftigen Gesamtschwerpunkte nicht nur die verschiedenen möglichen Kranbewegungen und die hierdurch induzierten Massenkräfte aus beispielsweise einer möglichen Drehbewegung, einem möglichen Heben und/oder einer möglichen Katzfahrbewegung des Krans, sondern auch darüber hinausgehende Einflussgrößen.
Insbesondere kann eine mögliche Verschiebung des Gesamtschwerpunkts bestimmt werden, die sich durch eine Windlast ergeben kann. Beispielsweise kann hierfür eine Windkraft 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 zulässigen 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 Windrichtungen berücksichtigt werden brauchen, die auf die Standfestigkeit des Krans einen ungünstigen Einfluss haben. Beispielsweise kann für die Bestimmung einer möglichen 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 Verschiebung des Gesamtschwerpunkts auch eine strukturelle Verformung des Krans bestimmt werden, die sich anhand von aktuellen Betriebs- und/oder Einflussgrößen und/oder von Änderungen dieser Betriebs- und/oder Einflussgrößen ergeben können. 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 Massenkräfte aus einem Anheben der Last und/oder einem Verfahren der Laufkatze und/oder einem Verdrehen des Krans um seine aufrechte Krandrehachse und/oder einem Abwippen oder Aufwippen des Auslegers ergeben können.
Wird beispielsweise an einem Turmdrehkran die Ausladung einer am Haken hängenden Last durch Verfahren der Laufkatze erhöht, verschiebt sich der Gesamtschwerpunkt 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 Gesamtschwerpunkts 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. Andererseits kann sich auch eine zusätzliche Verformung des Turms oder auch des teleskopierbaren Wippauslegers einstellen, wenn zusätzlich zur Last auch noch ein entsprechendes Zentrifugalmoment am Kran zieht.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Einflussgrößen können beispielsweise auch bestimmte Versagenszustände und deren Auswirkung auf eine Verschiebung des Gesamtschwerpunkts berücksichtigt werden. Insbesondere kann ein Seilbruch berücksichtigt und dessen Auswirkung auf eine Verschiebung des Gesamtschwerpunkts bestimmt werden. Eine solche Berücksichtigung eines Seilbruchs kann einerseits darin bestehen, dass dem Gesamtsystem einerseits die Hakenlast 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 ergebenden 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, Heben und Senken des Lasthakens und Verdrehen des Auslegers oder anderer Kranbewegungen ergeben, können die von der Kransteuerung bestimmungsgemäß vorgesehenen, maximalen Bewegungsgeschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen zugrunde gelegt werden. Ist noch keinerlei Beschränkung der Bewegungsgeschwindigkeiten 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 Massenkräfte unter Zugrundelegung dieser bereits beschränkten Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung bestimmt und daraus eine mögliche Verschiebung des Gesamtschwerpunkts berechnet werden.
Die von der Überwachungseinrichtung anhand der Lage des kritischsten möglichen zukünftigen Gesamtschwerpunkts bezüglich einer Kippkante vorgenommene Beschränkung kann grundsätzlich unterschiedlich beschaffen sein. Beispielsweise können sämtliche Kranantriebe entsprechend beschränkt werden, beispielsweise durch Vorschreiben einer reduzierten Maximalgeschwindigkeit und/oder durch Vorschreiben einer Einzelbetätigung der Kranantriebe, bei der nur noch einer der mehreren Kranantriebe gleichzeitig betrieben werden kann.
Insbesondere kann die Überwachungseinrichtung die vorzunehmende Beschränkung auch selektiv auswählen bzw. vornehmen, und zwar insbesondere anhand der Kranbewegung, die der Verschiebung und dem daraus resultierenden Gesamtschwerpunkt zugrunde lag, welcher dann als kritischster Gesamtschwerpunkt ausgewählt wurde. Hat sich der kritischste Gesamtschwerpunkt beispielsweise aus einer Drehbewegung des Krans entgegen dem Uhrzeigersinn ergeben, beispielsweise 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.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung werden die Kippkanten des Krans anhand 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 Verschiebungen und möglichen zukünftigen Lagen des Gesamtschwerpunkts und deren Position relativ zu den Kippkanten jeweils aktuell unter Zugrundelegung eines jeweiligen Istzustands, insbesondere auf Basis jeweils aktueller Sensorwerte der relevanten Parameter, berechnen. Die Überwachungseinrichtung legt dabei den aktuellen Gesamtschwerpunkt als Ausgangslage zugrunde und bestimmt anhand der möglichen Betriebs- und Einflussgrößen und deren möglichen Änderungen wie beispielsweise einer Betätigung der Kranantriebe, der genannten Windkräfte oder möglicher Verformungen die möglichen Verschiebungen des aktuellen Gesamtschwerpunkts und die sich hieraus ergebenden zukünftigen, möglichen Gesamtschwerpunkte, um dann in der genannten Weise Beschränkungen der Kranbewegungen vorzunehmen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Bestimmung der theoretisch möglichen, zukünftigen Schwerpunktslagen aber auch außerhalb der Kransteuerung und der Überwachungseinrichtung erfolgen, insbesondere bereits im Voraus anhand eines Modells, 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 bereitgestellt werden, beispielsweise mittels eines Datenspeichers, in dem die jeweiligen 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 Schwerpunktlagen und die mögliche Verfahrbarkeit der Nutzlast zeigt, die aus den möglichen zukünftigen Schwerpunktlagen und der sich hieraus ergebenden Standfestigkeitsreserve ergibt,
Fig. 3:: eine Darstellung der sich für verschiedene Hublasten und für verschiedene Auslegerstellungen ergebenden zulässigen Ausladungen bzw. Ausladungsgrenzen bei vollständig ausgefahrenen Stützen der Bodenabstützung,
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 einer Drehwerks-Antriebseinrichtung 9 gedreht werden kann. Der genannte Unterwagen 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 Abspannverseilung 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 entsprechendes Katzfahrseil verfahren werden kann. Über die genannte Laufkatze 6 kann ein Hubseil 8 ablaufen, an dem ein Lastgeschirr beispielsweise in Form eines Lasthakens 7 angebunden sein kann, um eine Last in an sich bekannter Weise zu heben. Eine Hubwerks-Antriebseinrichtung 10 kann eine Hubseiltrommel hierfür entsprechend antreiben.
Optional und deshalb nur angedeutet kann der Kran weitere Antriebseinrichtungen umfassen, beispielsweise könnte ein teleskopierbarer Ausleger mit einer Teleskopierantriebseinrichtung 13, eine Ballast-Verstell-Antriebseinrichtung 15 zum Verstellen eines Ballasts oder eine Verfahr-Antriebseinrichtung 14 zum Verfahren des ganzen Krans vorgesehen sein, was in der gezeichneten Ausführung des Mobilbaukrans regelmäßig nicht der Fall sein wird, da dieser zum Heben von Lasten aufgebockt ist.
Die verschiedenen Antriebe werden von einer zentralen Kransteuerung 16 gesteuert, die in an sich bekannter Weise für einen Kranführer entsprechende Betätigungshebel oder andere Eingabemittel vorsehen kann, damit dieser die verschiedenen 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 aufgenommene Hublast sowie die Ausladung, die der Lasthaken 7 bezüglich der Standbasis des Krans hat. Die genannte Ausladung kann beispielsweise über die Position der Laufkatze 6 am Ausleger 5 und ggf. den Wippwinkel des Auslegers 5 gegenüber der Horizontalen bestimmt werden.
Die genannten Antriebseinrichtungen und/oder die hiervon bewegbaren Kranelemente können durch entsprechende Sensoren in ihrer Stellung bzw. in ihrem Betriebszustand überwacht werden, sodass die Kransteuerung 16 bzw. die Überwachungseinrichtung 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 aufgenommene Last bestimmt werden.
Aus diesen aktuellen Zustandsgrößen des Krans 1 kann der aktuelle Gesamtschwerpunkt des Gesamtsystems aus Kran 1 und am Lasthaken 7 angeschlagener Hublast von der Überwachungseinrichtung 17 bestimmt werden, und zwar insbesondere 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 Überwachungseinrichtung 17 aus den genannten Zustandsgrößen kennt bzw. bestimmen kann, beispielsweise berechnen kann oder aus einem für die Krankonfiguration bestimmten 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 Bodenabstützung 19 ergeben. Wie Figur 2 zeigt, kann die Bodenabstützung 19 beispielsweise 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 Bodenabstützung 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, beispielsweise 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 Überwachungseinrichtung entweder anhand von Sensorsignalen aktuell berechnet oder auch für die zugelassenen und/oder erfassten Ausfahrzustände in Form von Parametersätzen 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 Gesamtschwerpunkts und dementsprechend mögliche zukünftige Gesamtschwerpunktslagen, 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 Gesamtschwerpunkts hin zu einem möglichen zukünftigen Gesamtschwerpunkt die verschiedenen Kranbewegungen berücksichtigt werden, also beispielsweise ein Verdrehen des Krans um die aufrechte Krandrehachse 18, ein Heben 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 werden. Insbesondere können Windkräfte bzw. eine Windlast auf den Kran 1 berücksichtigt werden.
Dabei kann eine solche Windlast beispielsweise virtuell in Form einer zusätzlich am Lasthaken angeschlagenen Massenkraft berücksichtigt werden, wenn der Wind von hinten gegen den Turm drückt. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Windkraft aber auch in Form einer tatsächlichen Verschiebung des Gesamtschwerpunkts berücksichtigt werden, insbesondere dadurch, dass der Wind die am Lasthaken aufgenommene Hublast auslenkt, wobei hier gegebenenfalls die Senktiefe des Lasthakens 7 berücksichtigt werden kann, da sich bei tiefer abgesenktem Lasthaken die Last vom Wind weiter auslenken lässt als bei nahe an der Laufkatze gefahrenem Lasthaken. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine Verformung des Krans, insbesondere eine Biegung des Turms 2 durch eine Windlast berücksichtigt werden, wie dies eingangs erläutert wurde. Drückt beispielsweise eine Windkraft 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 vergrößert und dementsprechend der Gesamtschwerpunkt des Systems verschiebt.
Für die Bestimmung der möglichen zukünftigen Gesamtschwerpunkte x kann insbesondere 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 Hublast und Massenkräfte 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 Kranstruktur und damit einhergehend deren Verformungseigenschaften unter Lasten bekannt sind, kann aus den genannten Massenkräften, Windkräften und sonstigen am Kran zerrenden Lasten dessen Verformung berechnet bzw. bestimmt werden. Solche Verformungen der Kranstruktur können beispielsweise anhand eines Modells bestimmt werden, wobei die sich für verschiedene Belastungsgrößen einstellenden Verformungen als Parametersatz abgespeichert und der Kransteuerung 16 bzw. der Überwachungseinrichtung 17 abrufbar bereitgestellt werden können. Alternativ könnten die genannten Verformungen aber auch direkt aktuell anhand der Einflussgrößen berechnet werden.
Ausgehend vom aktuellen Gesamtschwerpunkt und dessen Lage spielt die Überwachungseinrichtung 17 sozusagen die möglichen Betriebs- und Einflussgrößen und deren möglichen Änderungen, insbesondere mögliche Kranbewegungen, mögliche Windlasten und mögliche Kranverformungen durch und bestimmt hieraus verschiedene mögliche Verschiebungen und die sich ergebenden möglichen zukünftigen Schwerpunktslagen, die in Figur 2 mit der Bezugsgröße x gekennzeichnet sind.
Die Überwachungseinrichtung 17 analysiert die möglichen zukünftigen Schwerpunktslagen x auf ihre Relativposition zu den Kippkanten 20 hin und wählt als kritischsten 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 x_k gekennzeichnet.
Anhand des Abstands des kritischen zukünftigen Gesamtschwerpunkts x_k von der nächstliegenden Kippkante 20 kann die Überwachungseinrichtung 17 die verbleibende Traglast- bzw. Standfestigkeitsreserve bestimmen, und sodann aus der besagten 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. Vergrößerung der Ausladung, die in der genannten Weise aus dem kritischen zukünftigen Gesamtschwerpunkt bestimmt wurde, ist in der Figur 2 durch den Pfeil symbolisiert, der die beiden Laufkatzpositionen A und B verbindet.
Unter Berücksichtigung der Kippkanten 20 und der jeweiligen Ausladung und Position, die sich durch das Ausfahren der Stützen ändern kann, kann die Überwachungseinrichtung 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 Auslegerpositionen sind in Figur 2 mit der Bezugsziffer 21 gekennzeichnet und ergeben - näherungsweise, grob gesprochen - ein Viereck, dessen Hauptachsen sich näherungsweise an den Hauptachsen der Aufstandsfläche der Bodenabstützung 19 orientieren, 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 verschiedene 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 Lasthaken 7 angeschlagene Hublasten jeweils entsprechende, immer größer oder jeweils 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 werden kann. Da die genannten Ausladungsgrenzen 21 nicht kreisförmig um die Krandrehachse 18 geformt sind, sondern - näherungsweise, grob gesprochen - rechteckig 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 Kranbewegung abschalten und/oder verlangsamen und/oder begrenzen, die zu einem Erreichen bzw. einem weiteren Annähern an die genannte Ausladungsgrenze 21 führen würde, also insbesondere ein nach außen Verfahren der Laufkatze 6 und eine entsprechende Drehbewegung um die Krandrehachse 18.
Wie ein Vergleich der Figuren 3 und 4 zeigt, ergeben sich für unterschiedliche Ausfahrzustände der Stützen der Bodenabstützung 19 verschieden geformte Ausladungsgrenzen 21.
Damit zeichnet sich das beschriebene Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Krans sowie damit einhergehend der entsprechende Kran mit der dazu passend ausgebildeten Überwachungseinrichtung unter anderem durch die folgenden vorteilhaften Aspekte aus:

Das Berechnungsverfahren liefert dabei Kenntnisse aller möglichen Schwerpunktlagen des Gesamtsystems, die sich aufgrund äußerer Einflüsse (z.B. Wind), Massenkräften, 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 jeweils vorhandene Krankonfiguration und den aktuell vorliegenden Kraneinsatz vorgegebenen Berechnungsvorschriften und Berechnungsnormen erfüllt werden.
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 Bewegungsrichtungen des Kranoberteils und der Last zu jeder Zeit bestimmt, und zur Steuerung der Kranbewegungen herangezogen werden.
Bei der Ermittlung der zulässigen Lastgröße und Lastposition werden zusätzliche, in der Steuerung hinterlegte Grenzen mit herangezogen. Damit können andere begrenzende Systemzustände der beteiligten Baugruppen berücksichtigt werden.
Stützendrücke könnten mit in der Steuerung abgelegt und zur zusätzlichen Überwachung/Redundanz herangezogen werden.

Claims

Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Krans (1), bei dem ein Gesamtschwerpunkt (y) des Krans (1) mit einer daran gegebenenfalls angebrachten 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 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 (x) der bezüglich der Kippkante (20) kritischste Gesamtschwerpunkt (x_k) bestimmt und anhand der Lage dieses zukünftigen kritischsten Gesamtschwerpunkts (x_k) relativ zur Kippkante (20) eine mögliche Beschränkung von Kranbewegungen bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der kritischste zukünftige Gesamtschwerpunkt (x_k) anhand dessen Abstand von der Kippkante (20) ausgewählt wird, wobei aus dem Abstand des ausgewählten kritischsten Gesamtschwerpunkts von der Kippkante (20) eine Traglast- und/oder Standfestigkeitsreserve bestimmt wird, anhand derer das Kippmoment erhöhende und/oder die Standfestigkeit verringernde Kranbewegungen wahlweise beschränkt oder freigegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die genannte mögliche Beschränkung von Kranbewegungen ein Abschalten und/oder Begrenzen einer Kranbewegung, eine Verringerung der maximalen Geschwindigkeit oder maximalen Beschleunigung einer Kranbewegung und/oder eine Beschränkung auf eine Einzelbetätigung eines Kranantriebs bei gleichzeitig stillgesetzten anderen Kranantrieben umfasst.
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.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine mögliche Verschiebung des Gesamtschwerpunkts unter Zugrundelegung der Windlast aus zumindest einer bestimmten Windrichtung, insbesondere einer Windrichtung von hinten und/oder einer Windrichtung von der Seite, bestimmt wird.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mögliche Verschiebung des Gesamtschwerpunkts und ein damit einhergehender möglicher zukünftiger Gesamtschwerpunkt (y) durch den Einfluss der Massenkräfte aus Kranbewegungen, insbesondere aus einem Drehen, Heben und/oder Katzfahren, bestimmt wird.
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 angeschlagene Hublast wirkt, bestimmt wird.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine jeweilige 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 Verschiebungen des Gesamtschwerpunkts jeweils eine Ausladungsgrenze (21) bestimmt wird, die für verschiedene Drehstellungen des Krans (1) verschiedene Werte annimmt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei anhand der nicht kreisförmigen Ausladungsgrenze (21) für die jeweils am Lasthaken (7) aufgenommene 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.
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 Kranbelastungen aufweist, wobei die genannte Überwachungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, einen Gesamtschwerpunkt (x) des Krans mit einer daran gegebenenfalls angehängten Last auf seine Lage relativ zu einer Kippkante (20) des Krans (1) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, mögliche Verschiebungen des Gesamtschwerpunkts (x) durch mögliche Änderungen verschiedener Betriebs- und/oder Einflussgrößen, die zumindest verschiedene Kranbewegungen umfassen, und sich hierdurch ergebende zukünftige Gesamtschwerpunktslagen (y) zu bestimmen, sowie aus den bestimmten mehreren zukünftigen Gesamtschwerpunktslagen (y) den bezüglich der Kippkante (20) kritischsten Gesamtschwerpunkt (x_k) zu bestimmen und anhand der Lage dieses zukünftigen kritischsten Gesamtschwerpunkts (x_k) relativ zur Kippkante (20) eine mögliche Beschränkung von Kranbewegungen zu bestimmen.