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Eine Laufkatze ist eine bewegte Masse und Bauteil diverser Kranarten, bei denen sie bis zum Ende des Auslegers fahren kann. Sie dient der lastaufnahmeseitigen Veränderung der Lage des Hubseils. Durch ihre Eigenmasse bestimmt sie die Tragfähigkeit des Krans bei voller Reichweite mit. Herkömmliche Laufkatzen haben ein erhebliches Eigengewicht, da sie im Wesentlichen aus Stahl, der eine Dichte von etwa 7.86 g/cm3 aufweist, bestehen. Wenn es gelänge, eine Laufkatze bereitzustellen, die ein deutlich geringeres Eigengewicht als übliche Laufkatzen aufweist, wäre entsprechend die aufnehmbare Last höher.
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Krane mit Laufkatzen werden nahezu überall auf der Erde genutzt. Da die klimatischen Bedingungen in den einzelnen Regionen stark unterschiedlich sind und vielerorts auch starke Schwankungen zwischen den Jahreszeiten zeigen, Krane jedoch ganzjährig verwendet werden, muss die Stabilität der Laufkatze weitestgehend unabhängig von den herrschenden Temperaturen sein. Grundsätzlich ist mit Einsatztemperaturen zwischen ca. –20 und +50°C, sowie Umgebungstemperaturen zwischen ca. –50 und +70°C zu rechnen.
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Auch aus anderen Bereichen als dem Kranbau ist der Einsatz von Laufkatzen bekannt. Zum Beispiel beschreibt
DE 32 27 736 A1 eine Laufkatze für Umlaufförderketten, wie sie beispielsweise im Lebensmittel-Verarbeitungsbereich oder in Waschbetrieben verwendet werden. Für eine solche Laufkatze ist die Verwendung von Glasfaser-verstärktem Kunststoff beschrieben.
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Die Verwendung von CFK als Material an Stelle von Stahl ist bekannt. So offenbart beispielsweise
DE 32 28 314 A1 die Verwendung von CFK für Bühne, Podeste und Hohlraumkästen eines Kranträgers.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laufkatze bereitzustellen, welche ein geringeres Eigengewicht als bekannte Laufkatzen bei gesteigerter Lastaufnahmefähigkeit aufweist und welche mit Kranen bei unterschiedlichsten Temperaturen eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laufkatze mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Notwendige Bestandteile von CFK sind eine Matrix und in die Matrix eingebettete Verstärkungsfasern (Fasern), denen die Aufgabe zukommt, die wesentlichen Lasten zu übernehmen. Wesentlich für die verstärkende Wirkung ist, dass das E-Modul der Faser höher ist als das des Matrixwerkstoffes. Außerdem muss die Matrix gut auf der Faser haften, da es sonst zu einem „Faser-pull-out", einem der Versagensmechanismen faserverstärkter Verbundwerkstoffe, kommt. Neben den (hochfesten) HT-Carbonfasern (HT = high tenacity) sind eine Vielzahl weiterer Carbonfasern am Markt verfügbar, die sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften deutlich unterscheiden. Es sind hier vor allem die HM-Typen (high modulus) zu erwähnen. Carbonfasern, die hinsichtlich der Festigkeit und des Moduls zwischen diesen beiden Typen einzuordnen sind, werden als „Intermediates" bezeichnet.
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Richtwerte typischer CFK aus einem unidirektional verstärkten Epoxidharz mit einem Faservolumengehalt von etwa 60% sind in Bezug auf die Dichte Werte von ca. 1.5 g/cm3 (CFK-HT) und 1.6 g/cm3 (CFK-HM), hinsichtlich des E-Moduls Werte von 125 GPa (CFK-HT) bzw. 230 GPa (CFK-HM), während die Zugfestigkeit etwa 1100 bis 1500 MPa (CFK-HT) beträgt. Aluminium zum Vergleich weist eine Dichte von 2.75 g/cm3, ein E-Modul von 75 GPa und eine Zugfestigkeit von 90 bis 500 MPa auf. Damit ergibt sich für CFK ein hohes Leichtbaupotential.
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Überraschend hat sich gezeigt, dass sich durch Verwendung von Carbonfaser-Intermediates und HT-Carbonfasern Laufkatzen herstellen lassen, deren Bauteile ein optimales mechanisches Verhalten zeigen. An stärker beanspruchten Stellen können auch HM-Fasern zum Einsatz kommen. Gegenüber den HM-Fasern sind die HT-Fasern deutlich preisgünstiger. Sie weisen zudem eine hohe Festigkeit auf, was im Hinblick auf die Verwendung des CFK als Material für eine Laufkatze gegenüber dem E-Modul zunächst die wichtigere Eigenschaft ist.
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Verbundwerkstoffe wie CFK wurden bisher für den Bau von Laufkatzen für Krane nicht in Betracht gezogen, weil CFK mehrere Eigenschaften aufweisen, die gegenüber Stahl nachteilig sind. Zum einen ist die Produktion und die Sicherstellung der Qualität von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen deutlich aufwändiger. Anders als bei Stahlbauteilen ist für die Herstellung eines CFK-Bauteils jeweils ein spezielles – teures – Werkzeug erforderlich. CFK sind üblicherweise gegen Stöße und Schläge – in bestimmter Richtung – empfindlicher als Stahl. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass die Beschädigung aufgrund eines Stoßes oder Schlags im Inneren des CFK erfolgt und daher nicht mit dem bloßen Auge erkennbar ist. Ein solcher Verbundwerkstoff ist spröder als Stahl. Stahl verfügt über einen ausgeprägten Fließbereich, so dass ein plötzliches Versagen nahezu ausgeschlossen ist. Sofern eine Überbelastung des Stahls erfolgt, ist diese in der Regel aufgrund deutlicher Deformationen zu erkennen. Beschädigungen bei Werkstücken aus Stahl sind überhaupt im Allgemeinen gut zu erkennen. Sofern die Beschädigungen lediglich klein sind, beeinflussen sie die Eigenschaften des Werkstückes nicht. Bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen jedoch kann eine starke Überbeanspruchung zu einem plötzlichen Materialversagen führen. Sturz aus großer Höhe, Hammerschlag, ein Anschlagen beim Verladen kann zu einer so erheblichen Beschädigung der Struktur führen, dass die guten mechanischen Eigenschaften ganz oder teilweise verloren gehen. Dieses ist jedoch dem Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff nicht unbedingt anzusehen. Es kann beispielsweise zu einer verborgenen Delamination im Inneren des Bauteils liegender Faser- und Matrixschichten kommen.
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Bauteile aus CFK, bei denen eine unidirektionale Faserorientierung vorliegt, zeigen je nach Belastungsrichtung unterschiedliche mechanische Eigenschaften, d. h. anisotrope Eigenschaften, was sie bisher als Material für den Bau von Laufkatzen ungeeignet erscheinen ließ.
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Überraschend wurde gefunden, dass eine Laufkatze so aus CFK-Bauteilen gebaut werden kann, dass die einzelnen CFK-Bauteile jeweils im Wesentlichen nur in Faserrichtung belastet werden. Erfolgt eine mehrachsige Belastung eines Bauteils, so warden verschieden orientierte Faserlagen in die Bauteile eingebracht, wobei vorzugsweise eine Gewichtung der einzelnen Orientierungen nach ihrem Anteil an der Gesamtbelastung vorzunehmen ist.
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Was die Fasern betrifft, so sind Umgebungstemperaturen von ca. –50 bis +70°C nicht kritisch; der Einfluss der Temperatur auf die Carbonfasern in diesem Bereich ist vernachlässigbar. Anders verhält es sich jedoch hinsichtlich des verwendeten Kunststoffes. Auf seine Eigenschaften hat die Umgebungstemperatur in der Regel einen erheblichen Einfluss. So nimmt bei Epoxidharzen die Steifigkeit mit steigender Temperatur ab, während sich die Festigkeit kaum verändert. Bei höheren Temperaturen alter Epoxidharze schneller. Die Duktilität kann bei höheren Temperaturen höher, die Ermüdigungsfestigkeit aber besser sein. Viele Kunststoffe werden bei tieferen Temperaturen spröder. Das Matrixmaterial ist daher sorgfältig auszuwählen. Insbesondere ist hierbei zu berücksichtigen, dass die Fasern und die Matrix unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, woraus Eigenspannungen des Verbundwerkstoffes resultieren.
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Für Laufkatzen haben sich Epoxidharze als Matrizes als vorteilhaft gezeigt, in welche die hochfesten Carbonfasern eingebettet werden, Epoxidharze gehören zu den Duroplasten. Sie werden bei Temperaturen unterhalb ihrer Glastemperatur TG, d. h. im energieelastischen Bereich, eingesetzt. Da die Glastemperatur mit steigender Wasseraufnahme des Kunststoffs, d. h. mit steigender Luftfeuchte, herabgesetzt wird, sollte der TG-Wert bevorzugt sicherheitshalber 20°C über der maximalen Einsatztemperatur liegen, wonach sich folglich eine Glasübergangstemperatur ergeben sollte, die bei etwa 80 bis 90°C liegt.
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Querträger für erfindungsgemäße Laufkatzen sind bevorzugt gekrümmte Hohlprofile mit variablem Querschnitt. Diese Leichtbauweise ermöglicht die Realisierung besonders geringer Eigenmassen der Laufkatzen. Für den Laminataufbau ist ein Kern notwendig, der durch die Krümmung und Verjüngung zu den Enden hin nicht entformbar ist. Es verbleibt folglich in dem Bauteil ein Schaumkern. Auch kann eine Gestaltung der Seitenrahmen als Hohlkörper erfolgen.
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Seitenrahmen erfindungsgemäßer Laufkatzen sind Verbindungselemente, die beispielsweise als Rohre ausgeformt sind, welche eine Seitenstütze mit der gegenüberliegenden Seitenstütze verbinden.
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Bei den Lagerscheiben handelt es sich vorzugsweise um flache, ebene Bauteile mit umlaufendem Kragen aus einem CFK, in welchem die Faserlagen unidirektional orientiert sind.
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Vorzugsweise umfassen die Querträger die Seitenstützen der Seitenrahmen und sind einstückig gearbeitet. Die Seitenstützen stellen somit im Wesentlichen eine Verlängerung der Querträger dar. Bei einer Ausarbeitung als Hohlkörper stellen die Querträger mit den Seitenstützen somit einen zusammenhängenden, entsprechend gebogenen Hohlkörper dar.
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Über eine solche Konstruktion der Laufkatze lassen sich Masseeinsparungen von bis zu etwa 70% erzielen.
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Bevorzugt sind hierbei der erste Querträger und der zweite Querträger entlang ihrer Längsrichtung mit ihrer oberen Kante sowie die Seitenstützen von der zentralen Achse, die parallel zu den Querträgern und durch die Seitenrahmen hindurch verlauft, weggeneigt. Eine solche Struktur einer Laufkatze aus CFK ist in der Lage, auch größere Belastungen bei relativ geringen Deformationen aufzunehmen. Die für die entsprechenden Bauteile zulässigen Spannungen werden nicht erreicht.
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Für die Anfertigung in Serie kann das Injektionsverfahren genutzt werden. Dabei wird der Schaumkern mit trockenem Carbonmaterial belegt und im druckdichten Werkzeug, das die erforderlichen Angüsse, Harzkanäle, Absaug- und Entlüftungsstellen aufweist, platziert. Nach dem Schließen des Werkzeuges wird mit Druck der Kunststoff, vorzugsweise ein Epoxidharz, injiziert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die der Laufkatze zugrunde liegende Struktur in die bereits genannten modularen Bauteile, Querträger, Lagerscheibe und Seitenrahmen bzw. Querträger mit Seitenstützen, Lagerscheibe und Verbindungselemente, zerlegbar, wobei die einzelnen Bauteile entsprechend der anisotropen Materialeigenschaften so konstruiert sind, dass bei der Belastung der zusammengesetzten Laufkatze die Fasern in Richtung der stärksten Belastungen orientiert sind. Eine Verbindung der einzelnen Bauteile erfolgt nach üblichen Methoden, insbesondere durch Formenschluss und Klebetechnologien. Aufgrund der modularen Bauweise kann die Anzahl der für die Herstellung der Bauteile erforderlichen – teuren – Werkzeuge minimiert werden. Darüber hinaus vereinfacht die modulare Bauweise die Untersuchung der Laufkatze – beispielsweise mittels Ultraschall – auf Beschädigungen.
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Im Falle von Beschädigungen braucht nur das beschädigte Bauteil ausgewechselt zu werden. Vorzugsweise sind der erste Querträger und der zweite Querträger, der erste Seitenrahmen und der zweite Seitenrahmen sowie die erste Lagerscheibe und die zweite Lagerscheibe jeweils identisch, so dass für ihre Herstellung jeweils nur ein Werkzeug benötigt wird.
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In dem Umgebungstemperaturbereich von –50 bis +70°C zeigen die Carbonfasern keine nennenswerten Ermüdungserscheinungen. Die Zugfestigkeit in Faserrichtung nimmt nur bei extrem hoher Dauerbelastung ab. Bei Lastwechseln, wie sie eine Laufkatze ausgesetzt ist, sollten Ermüdungserscheinungen jedoch keine Rolle spielen. Ein spontanes Versagen der Bauteile aus CFK ist nicht zu erwarten.
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Vorteilhafterweise kann/können zur Vermeidung von Beschädigungen durch Stöße und Schläge eine/mehrere stoßabsorbierende Laminatschicht/en in die Außenhaut der Struktur integriert werden oder Außenschichten bilden. Als Material für die stoßabsorbierende Schicht haben sich Polyaramide wie Kevlar als vorteilhaft erwiesen.
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Als stoßabsorbierende Schichten sind auch Glasfaser-Beschichtungen geeignet. Eine ähnliche Wirkung wird durch auf der Laufkatze befestigte Elastomerteile erzielt, welche als „Gummipuffer” dienen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Laufkatze mit einer Beschichtung, beispielsweise einem Lackssystem, versehen, welches bei einer Schlagbeanspruchung abplatzt. Zweckmäßig besteht ein Lacksystem mindestens aus einem weichen Unterlack und einem harten Oberlack. Durch das Ab- bzw. Aufplatzen von wenigstens der oberen Lackschicht wird auch mit dem bloßen Auge sofort erkennbar, dass ein Stoß oder Schlag erfolgt ist, der zu einer Beschädigung des Bauteils geführt haben könnte, welches daraufhin genau untersucht werden sollte. Besonders vorteilhafter Weise ist unter der Beschichtung eine Signalfarbe aufgebracht, so dass die Beschädigung der Beschichtung noch deutlicher mit dem bloßen Auge erkennbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1: Ausführungsform einer Laufkatze;
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1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufkatze (1) aus CFK. Der Querschnitt der beiden parallel liegenden Querträger (2a, 2b) geht nahtlos in die beiden Seitenrahmen (3a, 3b) über. Die Seitenrahmen (3a, 3b) weisen ein quadratisches Profil auf und sind zusammengesetzt aus Seitenstützen (3c), welche vorliegend eine Verlängerung der Querträger (2a, 2b) sind, und Verbindungselementen (3d). Vorliegend sind die Verbindungselemente (3d) rohrförmige Bauteile, die orthogonal zu jeweils zwei einander auf unterschiedlichen Querträgern (2a, 2b) angeordneten Stützelementen (3c), die einander gegenüberliegen, angeordnet sind. Senkrecht zur Längsachse der Querträger (2a, 2b) und in deren Mitte, annähernd in einer Ebene mit diesen, sind die parallel zueinander liegenden Lagerscheiben (4a, 4b) angeordnet. Diese sind mit einem umlaufenden einseitigen Kragen (5) versehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laufkatze
- 2a
- erster Querträger
- 2b
- zweiter Querträger
- 3a
- erster Seitenrahmen
- 3b
- zweiter Seitenrahmen
- 3c
- Seitenstützen
- 3d
- Verbindungselement
- 4a, 4b
- Lagerscheiben
- 5
- Kragen
- 6a
- obere Kante des ersten Querträgers
- 6b
- obere Kante des zweiten Querträgers
