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Die Erfindung betrifft eine Baumaschine mit einem Unterwagen, einem mittels Rollendrehverbindung relativ zum Unterwagen verdrehbar gelagerten Oberwagen und einer Steuerung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Überwachung der Betriebs- bzw. Standsicherheit einer Baumaschine.
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Die Stand- und Betriebssicherheit einer Baumaschine während des Betriebs am Einsatzort bestimmt sich aus einer Vielzahl von diversen Parametern. Beispielsweise hängt die Standsicherheit eines Krans, insbesondere eines Mobilkrans, neben der Größe der an dem Ausleger hängenden Last unter anderem von dem Wippwinkel des Auslegers sowie von dem Drehwinkel des Oberwagens gegenüber dem Unterwagen und der Position der Stützfüße ab.
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Um eine kontinuierliche Überwachung der Standsicherheit der Baumaschine zu ermöglichen, sind dem Stand der Technik bereits verschiedene Möglichkeiten zur Überwachung der Standsicherheit eines Kranes bzw. einer Baumaschine zu entnehmen. Ein bekanntes Verfahren ist z. B. die Kraftmessung in der Abstützung der Baumaschine. Hierbei wird eine Baumaschine über beispielsweise 4 symmetrisch angeordnete Abstützungen auf dem Boden aufgestellt und die Kräfte werden kontinuierlich in jeder Stütze einzeln gemessen. Dadurch lassen sich die Lage des Schwerpunktes und die Gesamtmasse der Baumaschine feststellen. Ein Verfahren, das in Verbindung mit dem Standviereck der Vierpunktabstützung die Standsicherheit ermittelt, ist aus der
DE 20 2006 017 724 U1 bekannt.
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Die Messung der vier Teilkräfte in den Abstützungen läßt sich ferner zur Berechnung einer resultierenden Kraft und eines resultierenden Moments verwenden, welche an einer gedachten Schnittebene in Höhe des Drehkranzes angreifen.
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Derartige Verfahren weisen jedoch einige grundlegende Mangel auf. Ist die Baumaschine, insbesondere ein Kran, nicht durch seine Abstützungvorrichtung abgestützt oder weist unter Umständen gar keine Abstützung auf, so läßt sich das vorgenannte Verfahren nicht anwenden. Als Beispiel hierfür seien die Baustellenfahrt einer Baumaschine, sowie die Kranarbeit eines Raupenkrans, der in der Regel während der Kranarbeiten auf eine Abstützung verzichtet, genannt. Die Überwachung der Standsicherheit der Baumaschine spielt während des Betriebs der Baumaschine eine wesentliche Rolle.
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Ein weiterer nachteiliger Aspekt des vorgenannten Verfahrens ist dadurch gegeben, daß äußere Einflüsse, insbesondere Störkräfte, die nicht in vertikaler Richtung wirken, bei der Ermittlung bzw. der Überwachung der Standsicherheit nicht berücksichtigt werden. Als Beispiel hierfür seien die angreifenden Windkräfte und Hangabtriebskräfte genannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Baumaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, so daß eine zuverlässigere und präzisere Bestimmung der Standsicherheit/Betriebssicherheit gewährleistet werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Baumaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach ist es vorgesehen, daß die Baumaschine einen Unterwagen, einen über eine Rollendrehverbindung relativ zum Unterwagen verdrehbar gelagerten Oberwagen und eine Steuerung vorsieht. Erfindungsgemäß weist die Baumaschine Meßmittel zur Messung der Kräfte in Zug-, Druck- und Horizontalrichtung auf die Rollendrehverbindung im Bereich der Rollendrehverbindung auf. Ferner sieht die Steuerung der Baumaschine Mittel zur Bestimmung der anliegenden Kraft, vorzugsweise in axialer Drehachsenrichtung sowie Mittel zur Bestimmung des Moments, das durch die Exzentrizität der Kraft bezogen auf die Drehachse hervorgerufen wird, vor. Beide Komponenten Kraft und Moment werden auf Grundlage der Meßwerte des Meßmittels ermittelt. Die Erfindung zielt also erfindungsgemäß darauf ab, die zur Bestimmung bzw. zur Überwachung der Standsicherheit der Arbeitsmaschine erforderlichen Kenndaten an einer anderen Steile zu messen, an der weniger Störgrößen auftreten. Als optimaler Meßpunkt eignet sich erfindungsgemäß der Bereich um die Rollendrehverbindung zwischen Ober- und Unterwagen der Baumaschine. Die Mittel sind in der Lage Kräfte in Zug- und Druckrichtung auf die Rollendrehverbindung festzustellen, wodurch sich der Spannungsverlauf in der Rollendrehverbindung ausreichend exakt feststellen läßt.
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Als Meßmittel kann bevorzugt ein ringförmiges Meßelement eingesetzt werden, dessen Längsachse sich in der Rollendrehverbindung vom Unterwagen zum Oberwagen erstreckt. Besonders bevorzugt eignet sich ein Distanzringmeßelement. Das ringformige Meßelement kann entweder bereits in der Rollendrehverbindung vorhanden sein, das heißt es wird ein bereits existierendes Bauteil der Rollendrehverbindung zur Erfassung der genannten Kräfte verwendet oder es wird gezielt ein ringförmiges Meßelement zur Erfassung der Kräfte in Zug- und Druckrichtung im Bereich der Rollendrehverbindung eingebaut. Gattungsähnliche Baumaschinen konnen einfach und besonders kostengünstig nachgerüstet werden.
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Zur Erfassung der auf das ringförmige Meßelement einwirkenden Kräfte sind vorteilhafterweise ein oder mehrere Sensoren in das Meßelement eingebracht. Denkbar ist es, daß mehrere Sensoren über den gesamten Umfang des Meßelementes, also im Bereich zwischen 0° und 360°, verteilt angeordnet sind. Diese Meßsensoren sind in der Lage, die auf das Meßelement einwirkenden Kräfte in Zug- und Druckrichtung festzustellen.
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Um die erfaßten Meßwerte an die Steuerung der Baumaschine weiterzuleiten, ist es zweckmäßig, daß ein Teil oder alle Sensoren über eine Kommunikationsschnittstelle, insbesondere über ein Bussystem, mit der Steuerung in Verbindung stehen. Alternativ kann auch eine lokale Kommunikationseinheit integriert sein, der sämtliche Sensormeßwerte zugeführt werden und diese sodann von der lokalen Kommunikationseinheit an die Steuerung der Baumaschine weiterleitet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung sind ein oder mehrere Meßsensoren zylindrisch ausgeführt. Die zylindrischen Meßsensoren können in entsprechende Bohrungen des ringförmigen Meßelementes lösbar oder fest eingebracht werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, ein oder mehrere axiale Dehnungsmeßstreifen über den Umfang des Meßelementes verteilt anzuordnen. Hierdurch läßt sich die Dehnung bzw. Stauchung des ringförmigen Meßelementes in axialer Richtung bestimmen und vorzugsweise direkt an die Steuerung der Baumaschine oder über eine lokale Kommunikationseinheit an die Steuerung der Baumaschine weiterleiten. Die Aufbringung der Dehnungsmeßstreifen erfolgt bevorzugt durch Aufkleben.
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Zur Bereitstellung weiterer Meßwerte, die in die Überwachung zur Standsicherheit oder Betriebssicherheit der Baumaschine einfließen, kann bevorzugt ein Neigungsgeber an der Baumaschine vorgesehen sein. Der Neigungsgeber erfaßt beispielsweise die Neigung des Oberwagens um eine vertikal stehende Achse. Ebenfalls denkbar ist es, daß mittels des Neigungsgebers die Neigung eines montierten Arbeitsgerätes auf der Baumaschine gegenüber einer definierten Achse erfaßt und an die Steuerung weitergeleitet wird.
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Ferner kann vorteilhafterweise ein Meßwertaufnehmer an der Ballastaufnahme der Baumaschine vorgesehen sein, der die erfaßten Meßwerte an die Steuerung der Baumaschine übermittelt. Die Implementierung eines Meßwertaufnehmers an der Ballastaufnahme, insbesondere an der Zentralballastaufnahme des Unterwagens, ermöglicht die Kontrolle der manuellen Eingabe des verwendeten Ballastes bzw. der Korrektur einer fehlerhaften Eingabe in die Steuerung der Baumaschine.
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Die Erfindung betrifft des weiteren einen Kran, insbesondere einen Raupenkran oder einen Mobilkran, der gemäß einem der vorgenannten Merkmale ausgeführt ist. Die Überwachung der Betriebssicherheit bzw. der Standsicherheit des Krans durch die Steuerung ist somit zu jeder Zeit gewährleistet, insbesondere während der Baustellenfahrt eines Raupen- oder Mobilkrans bzw. während der gesamten Kranarbeit eines Raupenkrans, der in der Regel auf eine Abstützvorrichtung verzichtet. Denkbar ist ebenfalls, daß sich die Standsicherheit auch während des selbständigen Rüstens des Krans überwachen läßt.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Überwachung der Betriebs- bzw. Standsicherheit einer Arbeitsmaschine mit einem Unterwagen, einem mittels Rollendrehverbindung relativ zum Unterwagen verdrehbaren Oberwagen und einer Steuerung. Um die Standsicherheit unabhängig von einer eingesetzten Abstützvorrichtung zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Steuerung der Baumaschine auf Grundlage der gemessenen Zug- und Druckkräfte in der Rollendrehverbindung die Kraft in axialer und horizontaler Richtung der Drehachse des Oberwagens sowie das Moment, das durch die Exzentrizität der Kraft bezogen auf die Drehachse hervorgerufen wird, ermittelt. Die Kenngrößen, das heißt die Kraft in axialer Richtung der Drehachse sowie das Moment berücksichtigen erstmalig sämtliche Belastungen, die der Unterwagen durch den Oberwagen erfährt. Zusätzlich könnte auch noch eine senkrecht zur Drehachse wirkende Kraft ermittelt werden. Hierzu zählen die äußeren vormals nicht berücksichtigten Einflüsse der Störkräfte, die nicht in vertikaler Richtung wirken. In diese Kategorie fallen beispielsweise angreifenden Windkräfte, Hangabtriebskräfte, nicht exakt definierte Kräfte bei Mehrhakenbetrieb eines Krans, aktuelle Lage der Massen oder die Füllstände der Tanks im Oberwagen.
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Ein großer Vorteil der Erfindung ist, daß die beiden Kenngrößen Kraft und Moment auch beim Verfahren bzw. Fortbewegen der Baumaschine am Einsatzort stets aktuell auch bei veränderten Bedingungen der Steuerung bekannt sind. Ferner beeinflussen die auftretenden Lenkkräfte die Messungen im Bereich der Rollendrehverbindung nicht, da sämtliche Lenkkräfte von dem Unterwagenmittelteil aufgenommen werden.
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Von Vorteil sind auch die Ermittlung der anliegenden Kräfte an der Zentralballastaufnahme des Unterwagens und die Weiterleitung der ermittelten Kräfte an die Steuerung der Baumaschine. Die erhaltenen Meßdaten können ebenfalls in die Überwachung mit einfließen.
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Es ist denkbar, daß zur Überwachung der Standsicherheit bzw. der Betriebssicherheit der Steuerung zusätzlich die Abmessung und das Gewicht bestimmter Maschinenkomponenten bekannt ist. Ferner können bestimmte Schwerpunktlagen der Baumaschine in der Steuerung hinterlegt sein. Demnach werden während der Überwachung der Stand- bzw. Betriebssicherheit auch diese Daten berücksichtigt.
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Insbesondere lassen sich auf Grundlage der Konfigurationsdaten die Kippkanten der Baumaschine beim Verfahren am Einsatzort bzw. während des unabgestützten Betriebs der Baumaschine bestimmen.
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Über einen an der Baumaschine vorgesehenen Neigungsgeber kann zusätzlich die meßtechnisch erfaßte Neigung des Oberwagens bzw. montierter Arbeitsgeräte bei der Ermittlung der Standsicherheit bzw. der Betriebssicherheit der Baumaschine durch die Steuerung berücksichtigt werden.
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Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren nach einem der vorgenannten Merkmale bei der Bestimmung der Standsicherheit bzw. der Betriebssicherheit eines Raupen- oder Mobilkrans angewendet. Der Unterwagen weist in der Regel sowohl beim Raupenkran als auch beim Mobilkran bekannte Abmessungen und Gewichte auf. Somit lassen sich die diesbezüglichen Daten von der Kransteuerung zu den beiden ermittelten Kenngrößen Kraft und Moment hinzurechnen. Neben der Überwachung der Betriebs- und Standsicherheit des Raupenkrans bzw. des Mobilkrans kann auch über die Raupengeometrie und/oder die Bodenplatten auf die aktuell vorhandene Bodenpressung eines Raupenkrans geschlossen werden, falls ein flächiges Aufliegen des Raupenkrans gewährleistet ist. Analog kann bei der Anwendung des Verfahrens bei einem Mobilkran die zulässige Belastung der jeweiligen Achsen und/oder der Reifen geprüft werden.
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In vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Kran während des selbständigen Rüstens bezüglich der Stand- und Betriebssicherheit überwacht werden. Da stets die aktuellen Kenngrößen Kraft und Moment vorliegen, ist es unrelevant, welche Bauteile beim Rüsten schon am Kran angebracht sind und welche während des Selbstrüstvorgangs noch montiert werden müssen.
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Selbstverständlich ist die Baumaschine sowie das entsprechende Verfahren auch bei einer eingesetzten Abstützung voll funktionsfähig. Eine Kraftmessung in der Abstützvorrichtung kann demnach als diversitäres Meßverfahren zur Stand- und Betriebssicherheitsbestimmung des Krans angewendet werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung der Rollendrehverbindung zwischen Oberwagen und Unterwagen der erfindungsgemäßen Baumaschine,
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2: eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie IV-IV aus 1,
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3: eine weitere Darstellung des im Bereich der Rollendrehverbindung eingesetzten ringförmigen Meßelements und
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4: eine Prinzipdarstellung der Kommunikation zwischen Meßmittel und Kransteuerung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der Rollendrehverbindung 3 zwischen dem Unterwagen 1 und dem Oberwagen 2 einer erfindungsgemäßen Baumaschine in Form eines Krans. Um der Kransteuerung 22 die erforderlichen Meßwerte bezüglich der Kräfte in Zug- und Druckrichtung auf die Rollenverbindung 3 zu übermitteln, ist zwischen dem Oberwagen 2 und dem Unterwagen 1 ein gezielt eingebautes Distanzringmeßelement 10 eingesetzt.
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In das ringförmige Meßelement 10 sind gleichartige oder verschiedene Meßmittel in Form von Sensoren 20 oder auch einaxialen Dehnmeßstreifen im Umfang von 0 bis 360° verteilt eingebracht, die zur Messung der auf das ringförmige Meßelement 10 einwirkenden Kräfte dienen. Die Meßsensoren 20 sind in der Lage Kräfte in Zug- und Druckrichtung festzustellen. Anhand der Meßwerte lassen sich sodann ausreichend exakte Aussagen über den Spannungsverlauf in dem ringförmigen Meßelement 10 treffen und daraus auf die Kräfte bzw. Momente zurückschließen.
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Die Kransteuerung 22 ermittelt aus den von den Meßsensoren bzw. den ein- oder mehraxialen Dehnmeßstreifen bereitgestellten Daten eine Kraft 50, die in Richtung der Drehachse 4 und senkrecht zur Drehachse wirkt. 2 zeigt eine Darstellung der Rollendrehverbindung 3 entlang der horizontal verlaufenden Schnittachse IV-IV. Die ermittelte Kraft 50 zeigt als Druckkraft in die Zeichenebene hinein. Ferner ermittelt die Kransteuerung 22 aus den von den Meßsensoren 20 erfaßten Daten das Moment 51, welches durch die Exzentrizität der Kraft 50 bezogen auf die Drehachse 4 hervorgerufen wird. Beide Kenngrößen, das heißt die Kraft 50 und das Moment 51, berücksichtigen erstmalig sämtliche Belastungen, die der Unterwagen 1 durch den Oberwagen 2 erfährt. Hierzu zählen auch angreifende Windkräfte, Hangabtriebskräfte, nicht exakt definierte Kräfte bei Mehrhakenbetrieb des Krans, Winden, Füllstände der Tanks oder dergleichen. Auch wirkt sich der Einfluss der montierten Winden in Abhängigkeit der aufgewickelten Seilmenge unterschiedlich auf die Standsicherheit des Krans aus. Durch die optimal positionierte Kraftmessung an der Rollendrehverbindung 3 werden auch diese unbestimmten Parameter berücksichtigt.
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3 zeigt nochmals eine Detailansicht des eingesetzten ringförmigen Meßelementes 10 an der Rollendrehverbindung 3 zwischen dem Unterwagen 1 und dem Oberwagen 2. Die einzelnen Meßsensoren 20 sind zylinderförmig ausgeführt und werden in die entsprechenden Bohrungen 11 des ringförmigen Meßelementes im Bereich über 360° verteilt eingebracht.
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Die vergleichsweise sehr einfache Art und Weise der Implementierung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung bietet eine problemlose Möglichkeit bestehende Krane schnell und einfach bzw. kostengünstig nachzurüsten. Da die Rollendrehverbindung 3 mit dem Unterwagen 1 trennbar verbunden ist kann das erfindungsgemäße ringförmige Meßelement 10 nachträglich an dieser Verbindungsstelle eingesetzt werden. Die veränderten geometrischen Bedingungen in Bezug auf die Höhe des Meßelementes 10 können vernachlässigt werden. Die vorhandenen Traglasttabellen können weiterhin genutzt werden und die maximalen Hubhöhen werden nicht verringert.
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Durch die direkte Erfassung der Kenngrößen Kraft 50 und Moment 51 im Rollendrehverbindungsbereich ist auch während des Verfahrens des Krans stets gewährleistet, daß auch bei veränderten Bedingungen, insbesondere variablen äußeren Einflüssen auf den Kran, der Steuerung die aktuellen und tatsächlichen Kraftwerte im Rollendrehverbindungsbereich bekannt sind. Insbesondere während des Verfahrens des Krans erweist es sich als Vorteil, daß die auftretenden Lenkkräfte die Messung nicht beeinflussen. Diese werden statt dessen vollständig von dem Unterwagenmittelteil aufgenommen.
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4 zeigt eine Prinzipdarstellung der Kommunikation zwischen den Sensoren 20 und der Kransteuerung 22. Im einzelnen ist der 4 ein Teilbereich des ringförmigen Meßelementes 10 zu entnehmen, wobei ein hülsenförmiger Sensor 20 in die dafür vorgesehene Bohrung 11 des Meßelementes 10 eingebracht ist. Der Meßsensor 20 ist über eine Datenverbindung, insbesondere über das Bussystem 21, mit der Kransteuerung 22 verbunden. Zum einen besteht, die Möglichkeit, jeden einzelnen Sensor 20 über das Bussystem 21 mit der Kransteuerung 22 zu verbinden. Alternativ erweist sich die Implementierung einer lokalen Kommunikationseinheit als vorteilhaft, die die Datenkommunikation mit allen oder zumindest einem Teil der Sensoren 20 übernimmt und anschließend die Sensorwerte an die Kransteuerung 22 über das Bussystem 21 übermittelt. Hierdurch wird eine unnötige Belastung des Bussystems 21 mit einer zu hohen Busteilnehmeranzahl vermieden.
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Optional lassen sich die ermittelten Daten einer Kraftmessung an der Zentralballastaufnahme des Krans über das Bussystem 21 der Steuerung 22 zuführen, um gegebenenfalls eine fehlerhafte manuelle Eingabe bezüglich der Ballastierung des Krans zu korrigieren bzw. zu erkennen.
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Ferner besteht die Möglichkeit, daß der Kransteuerung 22 bestimmte Datensätze bezüglich der Abmessung und des Gewichts einzelner Krankomponenten vorliegen. Dazu zählt im allgemeinen auch die Lage definierter Schwerpunkte im Kransystem, insbesondere im Unterwagen. Damit besteht die Möglichkeit, daß die Kransteuerung 22 zu den ermittelten Kenngrößen Kraft 50, Moment 51 und gegebenenfalls einer weiteren senkrechten Kraft zur Kraft 50 die bekannten Größen des Unterwagens hinzurechnet und in die Überwachung der Standsicherheit bzw. der Betriebssicherheit des Krans mit einbezieht. Aus den ermittelten Datensätzen lassen sich speziell bei Raupenkranen mit Hilfe der Raupengeometrie und der Bodenplatten Aussagen über die vorhandene aktuell anliegende Bodenpressung treffen, falls ein flächiges Aufliegen des Krans gewährleistet ist. Hierzu kann es notwendig sein, daß Matratzen verwendet werden.
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Ist der Kran als Mobilkran ausgeführt, so ermöglicht die Verwendung des vorgenannten Datensatzes die Prüfung bzw. Ermittlung der zulässigen Achsbelastung und der entsprechenden Reifenbelastung.
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Ferner können aus den bekannten Abmessungen des Unterwagens, wie beispielsweise dem Raupenabstand, die Raupenlänge und die Bodenplattenbreite bzw. die Abstände der Reifen, die Kippkanten beim Verfahren auf der Baustelle oder beim unabgestützten Arbeiten des Krans bestimmt werden.
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Der Einsatz der vorgenannten erfindungsgemäßen Meßvorrichtung schließt die Überwachung der Standsicherheit eines Krans in Kombination mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie zum Beispiel die Kraftmessung in der Abstützvorrichtung, nicht aus. Beide Systeme lassen sich in einem Kran zur Realisierung eines diversitären Meßverfahrens verwenden um eine Erhöhung der Betriebssicherheit des Krans zu erlangen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202006017724 U1 [0003]
