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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Füllstands in einem Arbeitsfluidbehälter eines Krans, insbesondere eines Mobilkrans, wobei zunächst ein Soll-Fehlvolumen des Arbeitsfluids im Behälter bestimmt wird, welches dem gegenwärtigen Arbeitszustand des Krans entspricht, und auch das gegenwärtige Ist-Fehlvolumen des Arbeitsfluids im Behälter bestimmt wird. Ein Vergleich von Ist-Fehlvolumen und Soll-Fehlvolumen lässt etwaige Abweichungen und mögliche Systemleckagen frühzeitig erkennen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Einrichtung zur Überwachung des Füllstands in einem Arbeitsfluidbehälter eines Krans, und einen Kran mit einer solchen Überwachungseinrichtung.
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Bei nahezu allen modernen Mobilkranen werden die für die einzelnen Kranfunktionen notwendigen Stellaggregate auf hydraulischem Wege mit von einem davon entfernt liegenden Antriebsmotor mit Leistung versorgt. Hierbei kann grundsätzlich zwischen sogenannten „geschlossenen Hydraulikkreisläufen“ und „offenen Hydraulikkreisläufen“ unterschieden werden. Während bei ersterem die Hydraulikpumpe direkt wieder mit der vom Hydraulikmotor zurückkommenden Hydraulikflüssigkeit versorgt wird, entnimmt die Hydraulikpumpe bei einem offenen Kreislauf die Hydraulikflüssigkeit aus einem Tank und fördert es in Richtung der zu versorgenden Stellaggregate. Systembedingt führt dies zu fortwährenden Füllstandsänderungen während des Kranbetriebs, so dass etwaige Leckagen anhand des Ölniveaus im Hydrauliktank nicht ohne weiteres erkannt werden können. Allerdings bedeuten solche Leckagen nicht nur eine nicht unerhebliche Kontamination der Umwelt, sondern auch ein beachtliches Schadenspotenzial am Kran selbst.
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Aus der
DE 10 2014 226 284 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung eines Füllvolumens eines Betriebsmittelbehälters bekannt, bei dem die Neigung des Krans gemessen wird und zusammen mit dem gemessenen Füllstand des Betriebsmittelbehälters eine Ermittlung des tatsächlichen Füllvolumens des Betriebsmittelbehälters ermöglicht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, etwaige Leckagen im Hydrauliksystem eines Krans frühzeitig zu erkennen, um so Umweltkontaminationen und Schadensfälle am Kran abzuwenden.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche 1, 9 und 10 gelöst. Die Unteransprüche definieren dabei bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung des Füllstands in einem Arbeitsfluidbehälter eines Krans umfasst die folgenden Schritte:
- - Erfassen des dem gegenwärtigen Arbeitszustand des Krans entsprechenden Soll-Fehlvolumens des Arbeitsfluids im Behälter;
- - Erfassen des gegenwärtigen Ist-Fehlvolumens des Arbeitsfluids im Behälter;
- - Bestimmen der Abweichung zwischen Ist-Fehlvolumen und Soll-Fehlvolumen.
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Mit anderen Worten wird zunächst ein theoretisches Soll-Fehlvolumen des Arbeitsfluids errechnet. Hierfür sind Kenntnisse über das Füllvolumen der einzelnen Systembestandteile des betreffenden Hydraulikkreislaufs notwendig. Während das Füllvolumen von Hydraulikleitungen, Schläuchen, Ventilen, Pumpen und Motoren als nahezu konstant angenommen werden kann, ergeben sich bei Hydraulikzylindern erhebliche Variationen des von ihnen aufgenommenen Ölvolumens. Als Beispiel seien hier sogenannte Differenzialzylinder zu nennen, deren Kolben einseitig mit einer Kolbenstange versehen ist. Dadurch befindet sich im ausgefahrenen Zustand mehr Öl im Differenzialzylinder als im eingefahrenen Zustand, was letztendlich auch zum schwankenden Füllstand des Öltanks beiträgt. Durch Messung des derzeitigen Lagezustands der jeweiligen Zylinder im Hydraulikkreislauf kann auch das derzeit von ihnen aufgenommene Fluidvolumen errechnet werden. Das sich momentan in den Stellaggregaten befindliche und somit dem Tank entnommene Fluidvolumen kann somit auf theoretischem Wege errechnet werden.
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Zusätzlich wird das zum derzeitigen Zustand des Krans im Öltank fehlende Ölvolumen erfasst. In erster Näherung ist dies durch Messen des Fluidspiegels im Tank und durch Vergleich des sich hieraus errechnenden Fluidvolumens mit dem ursprünglich in den Tank eingefüllten Fluidvolumen möglich. Auf gegebenenfalls hier zu berücksichtigende Störgrößen wird nachfolgend näher eingegangen.
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Nachdem das für einen bestimmten Arbeitszustand des Krans erwartete Soll-Fehlvolumen zusammen mit dem tatsächlichen Ist-Fehlvolumen des Arbeitsfluids im Arbeitsfluidbehälter erfasst wurde, lässt eine Abweichung zwischen diesen zwei Werten einen Rückschluss darauf zu, dass das betrachtete Hydrauliksystem leckagebehaftet ist. Während geringfügige Abweichungen toleriert werden können und aufgrund systemimmanenter Ungenauigkeiten und Trägheiten sowohl im Hydraulikkreislauf als auch in der Messeinrichtung nicht vermieden werden können, können größere Abweichungen einem Kranführer zur Kenntnis gebracht werden und aus Sicherheitsgründen, etwa beim Platzen eines Hydraulikschlauchs, ein Sperren zumindest der hiervon betroffenen Kranfunktionen veranlassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Erfassen des Soll-Fehlvolumens des Arbeitsfluids das Erfassen von Messdaten, welche den gegenwärtigen Arbeitszustand zumindest eines in Fluidverbindung mit dem Arbeitsfluidbehälter stehenden Aggregats/Stellaggregats wiedergeben. Beispielsweise kann insbesondere bei einem großen Hydraulikzylinder, etwa einem Teleskopierzylinder zum Teleskopieren des Kran-Turms oder des Kran-Auslegers die aktuelle Kolbenposition mittels eines Seillängengebers stufenlos ermittelt werden. Sofern die Betätigung eines Hydraulikzylinders Einfluss auf die Lage einer Krankomponente hat, kann durch Lagemessungen dieser Krankomponente indirekt auf den Verfahrzustand des Hydraulikzylinders geschlossen werden. So lässt sich etwa mittels zumindest eines den Wippwinkel des Auslegers erfassenden Neigungssensors die gegenwärtige Stellung des oder der Ausleger-Wippzylinder(s) bestimmen. Im Falle von bei Kranen vielerorts eingesetzten Verriegelungszylindern lässt sich aufgrund der Tatsache, dass solche Verriegelungszylinder gegenüber den vorgenannten Wipp- oder Teleskopzylindern vergleichsweise klein sind und sich über den Großteil des Kranbetriebs hinweg in einer ihrer Endstellungen (maximal ein- bzw. ausgefahren) befinden, eine Annahme dahingehend treffen, dass diese Zylinder bei der hier besprochenen Betrachtung entweder mit ihrem Ölaufnahmevolumen in ihrer maximal eingefahrenen oder mit ihrem Ölaufnahmevolumen in ihrer maximal ausgefahrenen Stellung einfließen. Aus Kosten/Nutzen-Erwägungen heraus wäre es zudem möglich, einzelne, insbesondere geringvolumige Hydraulikzylinder beim erfindungsgemäßen Verfahren unberücksichtigt zu lassen, so dass eine entsprechende Anzahl von Messstellen eingespart werden kann und nur die wirklich „ins Gewicht fallenden“ großvolumigen Hydraulikzylinder überwacht werden. Selbstverständlich nimmt die Genauigkeit bei der Bestimmung des Soll-Fehlvolumens mit der Anzahl der überwachten Stellaggregate bzw. Hydraulikzylinder zu. An dieser Stelle sei zu erwähnen, dass die vorliegende Erfindung nicht nur zur Überwachung eines Hydraulikkreislaufes geeignet ist, sondern, wie weiter unten noch besprochen werden wird, auch zur Überwachung eines Kraftstoffsystems. In diesem Zusammenhang ist der gegenwärtige Arbeitszustand des Kran-Verbrennungsmotors als der sich über die Betriebsdauer des Krans hinweg erstreckende Zustand des Verbrennungsmotors zu verstehen. Anders ausgedrückt kann der theoretisch erwartete Soll-Kraftstoffverbrauch dadurch ermittelt werden, indem der Verbrauch in den einzelnen Arbeitspunkten des Motors errechnet und über die jeweilige Betriebsdauer integriert wird.
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Bei der Bestimmung des tatsächlichen Ist-Fehlvolumens des Arbeitsfluids können Messdaten erfasst werden, welche den gegenwärtigen Füllzustand des Arbeitsfluidbehälters wiedergeben. Als wichtigste Größe sei hier die Höhe des im Tank vorhandenen Flüssigkeitsspiegels zu nennen, der direkt mittels eines Tankgebers samt Schwimmer gemessen werden kann. Die reine Messung der Füllstandshöhe kann zur Erhöhung der Genauigkeit um weitere Messgrößen ergänzt werden. Beispielsweise kann die horizontale Schnittfläche des Tankvolumens über die Tankhöhe hinweg nicht konstant sein, was dazu führt, dass das tatsächliche Füllvolumen nicht direkt proportional mit der Füllstandshöhe im Tank wächst. Indem die Innengeometrie des Arbeitsfluidbehälters theoretisch (beispielsweise mittels CAD) oder experimentell (beispielsweise mittels „Auslitern“) bestimmt wird, kann letztendlich jeder Füllstandshöhe im Tank ein entsprechendes Füllvolumen zugeordnet werden. Zudem kann auch die räumliche Lage des Tanks einen erheblichen Einfluss auf den vom Tankgeber gemessenen Wert haben. Diesem Umstand kann dadurch Rechnung getragen werden, indem die Lage des Krans und somit auch des Tanks mittels eines Lagesensors erfasst wird, so dass ein Vergleich mit einer zuvor ermittelten Korrespondenz zwischen den Werten für die Schräglage des Krans einerseits und das bei dieser Schräglage gemessen Füllvolumen andererseits einen Rückschluss auf das tatsächlich vorhandene Füllvolumen im Tank zulässt.
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Auch das Fluid bzw. Hydrauliköl selbst bietet einige Störparameter, welche die Messung des Ist-Fehlvolumens beeinflussen. Zunächst ist hier die Öltemperatur zu nennen, mit welcher das Ölvolumen bei abnehmender Dichte zunimmt. Zur Abhilfe bietet sich hier beispielsweise eine Messung der Öltemperatur im Tank an, was über den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Öls Rückschlusse auf das bei einer Referenztemperatur vorliegende Ölvolumen zulässt. Eine noch genauere Bestimmung lässt sich durch mehrere über den Hydraulikkreislauf hinweg verteilte Temperaturmessstellen erreichen, so dass auch über dem Hydraulikkreislauf hinweg auftretende Temperaturunterschiede des Hydrauliköls Berücksichtigung finden. Ferner kann auch die Kompressibilität des Hydrauliköls Beachtung finden, wie sie bei hohen Belastungen im Kran auftritt. Hierfür können etwa an verschiedenen Messstellen Sensoren zur Messung des Fluiddrucks im Hydrauliksystem vorgesehen sein, so dass die durch Belastung hervorgerufene Volumenverringerung des Hydrauliköls bei gleichzeitiger Dichtezunahme in die vorliegende Betrachtung mit einfließen kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für die Abweichung zwischen Ist-Fehlvolumen und Soll-Fehlvolumen zumindest ein Schwellenwert festgelegt. Mittels eines solchen Schwellenwerts können kritische Werte markiert werden, über welche hinaus eine Abweichung des Ist-Fehlvolumens vom Soll-Fehlvolumen als nicht wünschenswert oder gar als gefährlich gewertet wird.
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In diesem Zusammenhang kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer einen bestimmten Schwellenwert überschreitenden Abweichung ein visuell und/oder akustisch wahrnehmbarer Warnhinweis an den Kranführer, etwa über die Bildanzeige und/oder den Lautsprecher einer Kransteuerung-Bedieneinheit ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, jegliche Abweichung, allerdings insbesondere eine über einen bestimmten Schwellenwert hinausgehende Abweichung einem Kranführer visuell und/oder akustisch anzuzeigen, so dass dieser nicht nur über einen kritischen oder gar gefährlichen Ölverlust informiert wird, sondern informationshalber auch über jegliche, zumindest aber über einen bestimmten Schwellenwert hinausgehende Abweichung. Auch ist es denkbar, mehrere unterschiedlich hohe Schwellenwerte festzulegen, welche beispielsweise zunächst nur einen Hinweis an den Kranführer über eine mögliche Leckage liefern und, beim Überschreiten einer weiteren Schwelle den Kranführer über einen kritischen Ölverlust informieren. Bei Überschreiten eines, insbesondere weiteren Schwellenwerts können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus Sicherheitsgründen Kranfunktionen unterbunden bzw. gesperrt werden. Sofern der Ort der Leckage bekannt ist, wäre es vorstellbar, nur jene Kranfunktionen zu unterbinden bzw. zu sperren, deren Ausführung zu einem weiteren Ölverlust bzw. zu einer weiteren Abweichung des Ist-Fehlvolumens vom Soll-Fehlvolumen führen würden.
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Üblicherweise haben Mobilkrane einen Kranunterwagen mit einem Fahrgestell, auf welchem ein Kranoberwagen samt Ausleger drehbar gelagert ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Füllstand in einen Hydrauliköltank überwacht werden, der einem offenen Hydraulikkreislauf für den Oberwagenbetrieb zugeordnet ist. Im Falle eines Ein-Motorenkrans mit einem im Unterwagen angeordneten Verbrennungsmotor sind die konstruktionsbedingt längsten hydraulischen Übertragungswege die zu den Kranfunktionen im Oberwagen. Selbstverständlich kann der Hydrauliköltank zusätzlich auch einen geschlossenen Hydraulikkreislauf, beispielsweise für die Seilwinden- und/oder das Drehwerk versorgen, allerdings trägt ein solcher geschlossener Hydraulikkreislauf nicht in dem Maße zu dem besprochenen Füllstandsänderungen bei wie ein offener Hydraulikkreislauf. Aufgrund der langen Übertragungswege vom Unterwagen über eine kritische Drehdurchführung in den Oberwagen hinein kann die hydraulische Versorgung des Oberwagens mittels Unterwagenmotor-Konzept zudem auch störanfällig sein, so dass die vorliegende Erfindung gerade hier eine erhebliche Verbesserung bereitstellt.
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Ebenso vorstellbar ist jedoch der Einsatz der vorliegenden Erfindung bei einem für den Unterwagenbetrieb bestimmten Hydraulikkreislauf. Dieser kann nicht nur die Kranabstützung versorgen, sondern im Fahrbetrieb auch die Fahrwerkslenkung.
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Eine Füllstandsüberwachung während des Fahrbetriebs ist daher ebenso denkbar wie während des Kranbetriebs, was sowohl für die Überwachung eines Hydraulikkreislaufs wie auch die Überwachung der Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren gilt.
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Obwohl es grundsätzlich vorstellbar wäre, das erfindungsgemäße Verfahren zu vorherbestimmten Zeitpunkten durchzuführen, etwa bei Beginn des Kranbetriebs oder Fahrbetriebs, so wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Abweichung zwischen Ist-Fehlvolumen und Soll-Fehlvolumen während des Kranbetriebs oder des Fahrbetriebs fortlaufend bestimmt. Der Kranführer wird somit zeitnah über einen Defekt am Hydrauliksystem informiert, was nicht nur Umweltkontaminationen verhindert, sondern auch aus Fehlfunktionen entstandene Schadensfälle am Kran.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung des Füllstands in einem Arbeitsfluidbehälter eines Krans, insbesondere eines Mobilkrans, wobei die Überwachungseinrichtung dazu ausgestaltet ist, ein wie oben in unterschiedlichen Ausführungsformen besprochenes Verfahren durchzuführen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Kran, insbesondere einen Mobilkran mit einer solchen Überwachungseinrichtung.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Die Erfindung kann die hierin besprochenen Merkmale einzeln sowie in jedweder sinnvollen Kombination umfassen. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens;
- 2 einen Mobilkran im Rüstzustand;
- 3 den Kran aus 2 im gerüsteten Zustand.
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Die ersten drei Verfahrensschritte des in der 1 dargestellten Verfahrens können im Wesentlichen gleichzeitig ablaufen. Einerseits wird das Soll-Fehlvolumen, also das theoretisch erwartete Fehlvolumen des Hydrauliköls im Tank 1 für den momentanen Zustand des Krans errechnet. Dies ist möglich, da das Füllvolumen sämtlicher oder zumindest der aufgrund ihrer Größe wesentlichen Komponenten des Hydraulikkreislaufs bekannt ist. Im Falle von Komponenten mit variablen Füllvolumina muss dieses mittelbar oder unmittelbar, etwa über die momentane Stellung eines Stellzylinders errechnet werden.
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Zudem wird das momentan im Tank vorhandene Ölvolumen gemessen, wobei ein Vergleich des ursprünglich eingefüllten Ölvolumens auf das derzeitige Ist-Fehlvolumen des Hydrauliköls schließen lässt. Die Erfassung der Füllstandshöhe im Tank 1 mittels eines Tankgebers wird um Korrekturfaktoren ergänzt, welche die Innengeometrie des Tanks 1 und die Temperatur des Öls berücksichtigen.
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Ferner wird zumindest ein Schwellenwert für eine zulässige Abweichung des Ist-Fehlvolumens vom Soll-Fehlvolumen festgelegt. Solche Abweichungen können durch Messfehler oder -Trägheiten systembedingt sein, jedoch auch tolerierte Leckagen beinhalten.
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Sollte ein Vergleich des Ist-Fehlvolumens mit dem Soll-Fehlvolumen jedoch ergeben, dass eine über den vorher festgelegten Schwellenwert hinausgehende Abweichung vorliegt, so wird ein Warnhinweis an den Kranführer ausgegeben oder wahlweise sogar zumindest eine betroffene Kranfunktion unterbunden.
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Die 2 zeigt als Beispiel einen Mobilkran mit einem Kranunterwagen 9 und einem darauf drehbar gelagerten Kranoberwagen 10. Im Unterschied zu den geläufigsten Mobilkranen weist der gezeigte Mobilkran einen Teleskopturm 3 auf, welcher den Kranoberwagen 10 vom Kranoberwagen 9 variabel beabstandet.
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Wie ferner in der 2 zu sehen ist, wird der Turm 3 beim Rüsten mittels der Hydraulikzylinder 6 von einer horizontalen in eine vertikale Lage überführt, während ein zwischen Turm 3 und Kranoberwagen 10 angeordneter Hydraulikzylinder 7 den Kranoberwagen 10 in einer im Wesentlichen horizontalen Lage hält. Ihre wesentliche Funktion haben die Hydraulikzylinder 6, 7 daher während des Rüstens.
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In der 3 ist der Kran aus der 2 in einem nahezu fertig gerüsteten Zustand zu sehen, wobei der Kranausleger 2 noch nicht austeleskopiert wurde. Der hierfür notwendige Teleskopierzylinder liegt innerhalb des Auslegers 2 und ist daher ebenso wenig zu sehen, wie der zum Austeleskopieren des Turms 3 notwendige und in diesem liegende Teleskopierzylinder. Die Abspannstangen 4 werden, wie in der 3 ebenfalls zu sehen ist, beim gerüsteten Kran mittels Spannzylindern 8 (nur zwei benannt) auf Zug gehalten. Sollte einer der nicht näher bezeichneten Hydraulikkreisläufe des gezeigten Krans eine Leckage aufweisen, so wird dies anhand der vorhergehend besprochenen und in einer entsprechenden Überwachungseinrichtung des Krans durchgeführten Füllstandsüberwachung im Tank 1 des Krans detektiert und sogleich dem Kranführer zur Kenntnis gebracht. Notfalls findet eine Abschaltung von Kranfunktionen statt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014226284 A1 [0003]
