DE102018204079A1

DE102018204079A1 - Autobetonpumpe und Verfahren zur stabilitätsrelevanten Steuerung einer Autobetonpumpe

Info

Publication number: DE102018204079A1
Application number: DE102018204079.6A
Authority: DE
Inventors: Ansgar Müller
Original assignee: Putzmeister Engineering GmbH
Current assignee: Putzmeister Engineering GmbH
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2019-09-19
Also published as: JP2021515858A; KR102640120B1; CN112004977A; CN112004977B; KR20200131824A; WO2019175400A1; EP3765686A1; US20210010281A1; JP7371870B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Autobetonpumpe (10) mit einem Fahrgestell (12), das ausfahrbare Stützbeine (14) aufweist, und einem drehbar und mittels eines Stellzylinders (22) neigungsverstellbar an einem Drehwerk (16) des Fahrgestells (12) angeordneten Betonverteilermast (18), der mehrere schwenkbare Mastarme (20) umfasst, sowie einer Recheneinheit zum Durchführen einer Stabilitätsberechnung anhand von Vertikal- und/oder Horizontalkräften auf zumindest zwei Stützbeine (14), und mit einer Steuerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, abhängig von der Stabilitätsprüfung eine Drehbewegung an dem Drehwerk (16) und/oder eine Schwenkbewegung wenigstens eines Mastarms (20.1, 20.2, 20.3) und/oder die Einleitung eines Pumpvorgangs zu begrenzen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Autobetonpumpe und ein Verfahren zur stabilitätsrelevanten Steuerung einer Autobetonpumpe.
Beschreibung des Standes der Technik
Die EP 2 733 281 A1 offenbart eine stabilitätsrelevante Steuerung, die auf einer Berechnung des statischen Schwerpunktes des Unterbaus (Metacenter) basiert. Unter weiterer Heranziehung des Schwerpunkts des gesamten Fahrzeugs und einer Grenze des sicheren Betriebs aus der konkreten Abstützkonfiguration wird ein Sicherheitskoeffizient bestimmt. Der Sicherheitskoeffizient entspricht dem Verhältnis zwischen dem Abstand von Metacenter zu Schwerpunkt und dem Abstand von Schwerpunkt zu Sicherheitsgrenze. Ein Sicherheitskoeffizient größer Eins signalisiert einen sicheren Betrieb.
Aus der EP 2 555 067 A1 ist eine Stabilitätssteuerung für Betonförderfahrzeuge bekannt, bei der der Schwerpunkt jeder Komponente bestimmt wird, um daraus den Gesamtschwerpunkt des Fahrzeugs zu berechnen. Dieser wird mit einem vorgegebenen Gleichgewichtsbereich (Balance Range) verglichen, der die Abstützarme in horizontaler Projektion berücksichtigt. Bei Überschreitung des Gleichgewichtsbereichs wird ein Alarm ausgegeben.
Die EP 2 038 493 A1 offenbart eine Autobetonpumpe mit Stützauslegern und einer Steuerungseinrichtung für die Mastarmbewegung. Die bekannte Steuerungseinrichtung umfasst eine auf eine ausgewählte Abstützkonfiguration der Stützausleger ansprechende Softwareroutine, die den Schwenkwinkel eines ersten Knickarms um seine Knickachse und einen zugehörigen Drehwinkelbereich des Drehkopfs um die Hochachse nach Maßgabe der gewählten Abstützkonfiguration begrenzt. Damit geht eine Verkürzung der Reichweite des Auslegers einher, während sich der radiale mögliche Arbeitsbereich für eine gegebene Abstützkonfiguration vergrößert.
Aus der DE 10 2014 215 019 A1 ist eine Autobetonpumpe mit einem aus mehreren schwenkbaren Mastarmen gebildeten, an einem Drehwerk auf einem Fahrgestell drehbar angeordneten Betonverteilermast und einem Neigungssensor zur Erfassung einer Schrägstellung der Autobetonpumpe bekannt, bei der eine mit dem Neigungssensor gekoppelte Sicherheitseinrichtung zur Beschränkung des Arbeitsbereichs des Betonverteilermasts in Abhängigkeit von der Schrägstellung vorgesehen ist. Die Sicherheitseinrichtung ist dazu konfiguriert, die Drehbewegung an dem Drehwerk und/oder die Schwenkbewegung wenigstens eines Mastarms in Abhängigkeit von einer Schrägstellung des Fahrzeugs zu begrenzen.
Die DE 102 42 270 A1 offenbart ein Hubbühnenfahrzeug, bei dem zum sicheren Betrieb in unebenem Gelände eine Reichweitenbegrenzung der Hubbühne unter Berücksichtigung der Aufstellneigung erfolgt. Hierzu wird mit einem Neigungssensor die Aufstellneigung der Hubarbeitsbühne zu deren Betrieb erfasst und ein Soll-Ist-Vergleich für zulässige Reichweiten bei unterschiedlichen Schrägstellungen derart vorgenommen, dass die größte Reichweite erzielt.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausgehend hiervon werden erfindungsgemäß eine Autobetonpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur stabilitätsrelevanten Steuerung einer Autobetonpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine stabilitätsrelevante Steuerung einer Autobetonpumpe in Echtzeit effektiv durch die Berechnung des Lastmoments im Mastarm und den Vertikal- und/oder Horizontalkräften in zumindest zwei Stützbeinen der Autobetonpumpe möglich ist. Hierzu sind die Vertikal- bzw. Horizontalkräfte entweder direkt zu messen, bspw. im Rahmen einer 3D-Kraftmessung mit geeigneten Sensoren, oder es werden zumindest der Druck im Stellzylinder des Mastarms, der Drehwerkswinkel der Mastarmanlenkung, die Abstützpunkte der Stützbeine sowie die Neigung des Betonpumpenunterbaus (d.h. des Fahrgestells) sensorisch erfasst, um auf dieser Grundlage die vertikal bzw. horizontal wirkenden Kräfte in zumindest zwei Stützbeinen zu ermitteln.
Die Erfindung ermöglicht unter Berücksichtigung der aktuellen Abstützkonfiguration und der Maschinenneigung eine Aussage über die tatsächliche Stabilitätsreserve der Autobetonpumpe und eine sogenannte Pumpaussage, d.h. eine Aussage darüber, ob in der momentanen Maschinenaufstellung (Maststellung, Unterbauneigung) ein Pumpvorgang eingeleitet werden kann (unter Berücksichtigung der Erkenntnis, dass durch ein Füllen der Förderrohrleitungen mit Beton eine weitere Gewichtsveränderung eintritt, die die Maschine aus dem Bereich der Stabilitätsreserve herausführen kann).
Die vorliegende Beschreibung deckt auch ein Computerprogramm mit Programmcode ab, der dazu geeignet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere einer Recheneinheit einer Autobetonpumpe, abläuft. Es werden sowohl das Computerprogramm selbst als auch das auf einem computerlesbaren Medium abgespeicherte Computerprogramm (Computerprogrammprodukt) beansprucht.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt in seitlicher stark schematischer Darstellung eine Autobetonpumpe auf geneigten Untergrund mit ausgeschwenkten Mastarmen.
2 zeigt die Autobetonpumpe der 1 in Draufsicht mit ausgefahrenen Stützbeinen und zur Seite gedrehtem Betonverteilermast.
3 zeigt in vergrößerter schematischer Darstellung eine Veranschaulichung der Kraftwirkungen auf ein Stützbein bei Abstützung auf geneigtem Untergrund in seitlicher Schnittansicht gemäß der Schnittlinie III-III der 2.
4 zeigt in vergrößerter schematischer Darstellung eine Veranschaulichung der Kraftwirkungen auf das Stützbein der 3 in Draufsicht.
5 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung des zulässigen Mastmoments bei extremer Schrägstellung und Vollabstützung einer Autobetonpumpe bei Neigung in Längsrichtung.
6 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung des zulässigen Mastmoments bei extremer Schrägstellung und Teilabstützung einer Autobetonpumpe bei Neigung in Längsrichtung.
7 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung des zulässigen Mastmoments bei extremer Schrägstellung und Teilabstützung einer Autobetonpumpe bei Neigung in Querrichtung.
8 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer Bedienungsanzeige.

Ausführliche Beschreibung
1 zeigt in seitlicher stark schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Autobetonpumpe 10 mit einem Fahrgestell (Unterbau) 12 und einem über ein Drehwerk 16 auf dem Fahrgestell 12 aufgebrachten Betonverteilermast 18, der schwenkbaren Mastarme 20 (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Mastarme 20.1, 20.2, 20.3) umfasst. Der erste Mastarm (A-Arm) 20.1 des Betonverteilermasts 18 ist mittels eines Stellzylinders 22 neigungsverstellbar an dem Drehwerk 16 angelenkt. Die folgenden Mastarme 20.2, 20.3 sind entsprechend mittels (nicht dargestellte) Stellzylinder gegeneinander verschwenkbar.
Zur Abstützung im Betrieb weist die Autobetonpumpe 10 in an sich bekannter Art und Weise vier ausfahrbare (und ggf. verstellbare) und auf einem Untergrund U mit Abstütztellern 15 abstützbare Stützbeine 14 auf (vgl. 2). An dem Fahrgestell bzw. Unterbau 12 ist des Weiteren ein Betonaufnahmetrichter 24 vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Autobetonpumpe 10 umfasst außerdem Abstützsensoren SB in den Stützbeinen 14 zum Erfassen von Abstützpunkten P der Stützbeine 14, Neigungssensoren SN zum Erfassen einer Neigung α des Fahrgestells 12, einen Drehwinkelsensor SD zum Erfassen eines Drehwinkels δ des Drehwerks 16 und einen Sensor SZ zum Erfassen eines Drucks in dem Stellzylinder 22 (Zylinderdrucksensor oder Zylinderkraftsensor) sowie in den Mastarmen 20 angeordnete Mastwinkelsensoren SM (der Öffnungswinkel des ersten Mastarms 20.1 ist als φ bezeichnet). Die Erfassung der Neigung des Fahrgestells 12, mithin des Neigungswinkels des Untergrunds U, wird vorzugsweise entlang zwei Achsen gemessen; aus Gründen der vereinfachten Darstellung ist in 1 lediglich ein Längsneigungswinkel α eingezeichnet (in der Schnittebene einer Längserstreckung L der Autobetonpumpe 10). In einer Ebene senkrecht zu der Längserstreckung L der Autobetonpumpe 10 kann bspw. eine Neigung um einen Querneigungswinkel β vorliegen (vgl. hierzu auch die nachfolgende Beschreibung zu den 3 und 4).
Mit der im Folgenden im Detail beschriebenen Erfindung wird eine Stabilitätsüberwachung einer Autobetonpumpe 10 ermöglicht, um Fehlbedienungen im Betrieb der Betonpumpe (Abstützen der Autobetonpumpe 10 insb. bei geneigter Aufstellung, Drehen/Ausfahren des Betonverteilermasts 18, Pumpbetrieb in Grenzbereichen) zu vermeiden, die zum Umkippen der Maschine 10 oder Überlastung von Stahlbauteilen der Maschine führen könnten. Dabei kann erfindungsgemäß auch (zumindest in einem eingeschränkten Bereich) mit einer vergrößerten Schrägstellung α gearbeitet werden, die über die üblicherweise einzuhaltenden 3° Neigung hinausgeht.
Dazu werden folgende Größen messtechnisch anhand geeigneter Sensoren erfasst: die Gelenkzylinderdrücke in dem Stellzylinder (bzw. den Stellzylindern) des Verteilermasts 18 (bzw. genauer des ersten Mastarms 20.1), der Drehwerkswinkel δ, die Abstützpunkte der Stützbeine und die Neigung α des Betonpumpenunterbaus (um zwei Achsen) sowie den Öffnungswinkel des A-Gelenks.
Als weitere Größen werden das Gesamtgewicht, das Unterbaugewicht und der Unterbauschwerpunkt benötigt, die aufgrund ihrer Variabilität als Schätzwerte in die Berechnung einfließen.
Mit den Schnittkräften und den Schnittmomenten zwischen Mast 18 und Unterbau 12 und der Masse (Mast plus Unterbau) und dem Schwerpunkt des Unterbaus 12 können nun über eine vereinfachte theoretische Berechnung die Abstützkräfte in allen drei Dimensionen in Echtzeit berechnet werden. Mit dieser Berechnung können die folgenden Überprüfungen durchgeführt werden.
Es kann geprüft werden, wie groß der Anteil der Vertikalkräfte ist, die nur über zwei Abstützpunkte P abgeleitet werden. Wird ein Grenzwert (z.B. 95%) überschritten, ist die Maschine kippgefährdet und es müssen alle Handlungen vermieden werden, die das Lastmoment ansteigen lassen.
Des Weiteren kann die Querkraft auf die Abstützbeine 14 geprüft werden, insb. bei stark geneigter Maschinenaufstellung (> 3°). Für alle Stützbeine 14 wird geprüft, ob eine zulässige Vergleichsbelastung (Kombination aus Horizontalkraft und Vertikalkraft am Stützbein 14) überschritten wird. Ist dies der Fall, darf die Maschine nicht mehr so verfahren werden, dass sich die kritische Belastung (wie etwa das Lastmoment und/oder die Querkraft auf ein Stützbein bei extremer Schrägstellung o.dgl.) erhöht. Dies ist beispielhaft in den 3 und 4 skizziert: 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt um einen Abstützpunkt P eines Stützbeins 14 auf einem um einen geneigten Untergrund U gemäß der Schnittlinie III-III der 2. Die Neigung des Untergrunds U entlang der Ebene durch das Stützbein 14 ist mit γ bezeichnet. Die Kräfteverhältnisse an dem Abstützpunkt P sind anhand eines dem Fachmann geläufigen Kräfteparallelogramms dargestellt.
Eine am Abstützpunkt P des Stützbeins 14 angreifende Gravitationskraft (d.h. der Anteil der Gesamt-Gravitationskraft der Autobetonpumpe auf dieses Stützbein 14) ist lotrecht nach unten weisend mit F_G bezeichnet. Diese Kraft lässt sich in der dargestellten Schnittebene durch das Stützbein 14 in eine senkrecht zum Untergrund U verlaufende senkrechte Kraftkomponente F_{S, U} und eine parallel zum Untergrund U verlaufende parallele Kraftkomponente F_P zerlegen. Die parallele Kraftkomponente F_P stellt die in Stützbeinrichtung angreifende Hangabtriebskraft bei dem Neigungswinkel γ dar.
4 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere Aufteilung dieser Hangabtriebskraft F_P in eine Komponente parallel zur Gesamtuntergrundneigung (definiert durch die Winkel γ und α) und eine Komponente senkrecht zu dem Stützbein 14 in Draufsicht. Eine parallel zu der Gesamtneigung des Untergrunds (also unter Berücksichtigung des Längsneigungswinkels α und des Neigungswinkels in Stützbeinrichtung γ) verlaufende und an dem Abstützpunkt P angreifende Kraftkomponente ist mit F_U bezeichnet. Diese setzt sich zusammen aus der parallelen Kraftkomponente F_P einer senkrecht zu dem Stützbein 14 verlaufenden Komponente F_S,14 zerlegen. Bei diesen Komponenten F_P und F_S,14 handelt es sich um die tatsächlich an dem Abstützpunkt P angreifenden Kräfte in Richtung des Stützbeines und quer zum Stützbein.
Schließlich kann das Drehmoment am Drehwerksgetriebe geprüft werden, ebenfalls insb. bei stark geneigter Maschinenaufstellung (> 3°). Nun kann der Mast 18 nicht in voll gestreckter Stellung mit maximalem Lastmoment gedreht werden, ohne das Drehwerk 16 zu überlasten. Es wird das zum Mastdrehen notwendige Drehmoment berechnet; falls dieses größer ist, als das Auslegerdrehmoment, darf keine Bewegung mehr ausgeführt werden, die das Moment erhöht.
Die Erfindung ermöglicht auch eine sogenannte Pumpvorhersage, d.h. eine Anzeige, ob bei der gegebenen Maststellung auch gepumpt werden könnte. Hierzu wird parallel das theoretisch maximale Lastmoment bei der aktuellen Maststellung und Unterbauneigung berechnet, indem mit dem bekannten Winkel und den aus der Maschinenspezifikation bekannten Massen das Lastmoment bei maximalem Förderleitungsgewicht ermittelt wird. Dabei müssen sichere Annahmen zum Füllstand im Trichter 24 und im Wassertank getroffen werden.
Hierauf aufbauend können für die aktuelle Situation (Maststellung, Betriebslasten und Neigung) jeweils Sicherheitsbeiwerte für die kritischen Systeme (z.B. Standsicherheit, Beinüberlastung und Drehmoment am Drehwerk) berechnet werden (sicherheitskritischer Teil der Steuerung).
Außerdem können noch nicht sicherheitskritische Sicherheitsbeiwerte in der aktuellen Maststellung und Neigung bei maximalen Betriebslasten am Arm (wie bspw. Aussagen zu „kann ich in dieser Aufstellsituation bzw. Armstellung bzw. Neigung auch pumpen?“) berechnet werden. Diese dienen nur zur Information des Bedienpersonals und sind ohne Konsequenz in der Steuerung).
Es kann eine Anzeige für das Bedienpersonal vorgesehen sein, in der jeweils nur der minimale Sicherheitsfaktor für aktuelle Beladung und maximale Beladung angezeigt wird. Dadurch kann der Maschinenbetreiber sehen, ob er in der aktuellen Stellung auch pumpen kann, und es wird vermieden, dass die Maschine dies unerwartet als lastmomenterhöhenden Vorgang ablehnt.
Die 5 bis 8 zeigen beispielhafte Darstellungen zur Erzeugung einer Anzeige für das Bedienpersonal.
5 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines zulässigen Mastmoments bei extremer Schrägstellung α in Längsrichtung L der Autobetonpumpe 10 bei Vollabstützung (d.h. bei voll ausgefahrenen Stützbeinen 14). Die Darstellung der 5 veranschaulicht, wie sich eine optische Anzeige einer Gesamteinschränkung des Bewegungsradius des Mastaufbaus 18 der Autobetonpumpe 10 aus einer Betrachtung von Teileinschränkungen zusammensetzt. In einem ersten Bild D1.1 ist die Autobetonpumpe 10 stark schematisch mit vollständig ausgefahrenen Stützbeinen 14 in Draufsicht dargestellt, umgeben von einer durchgezogenen Kreislinie Z, die das zulässige Lastmoment bei ebener (also neigungsfreier) Vollabstützung (Idealfall) darstellt. Die Kreislinie Z stellt somit den maximalen Wirkungskreis der Autobetonpumpe dar. In dem ersten Bild D1.1 ist zudem mit gestrichelter Linie L1.1 die Einschränkung des Wirkungskreises aufgrund unzulässiger Stützbeinlängs- und -querkräfte (vgl. 3 und 4) bei der konkreten Schrägstellung der Maschine eingezeichnet. Ein zweites Bild D1.2 zeigt mit gestrichelten Linien L1.2 die Einschränkung des Wirkungskreises aufgrund erhöhter Drehwerksmomente bei der konkreten Schrägstellung der Maschine, und ein drittes Bild D1.3 zeigt mit gestrichelter Linie L1.3 die Überlagerung der Einschränkungen L1.1 und L1.2, mithin die Grenze des maximal zulässigen Lastmoments bei aktueller Abstützung und Schrägstellung.
6 zeigt in ähnlicher Darstellung eine Autobetonpumpe 10 in gleicher Schrägstellung in Längsrichtung, aber in Teilabstützung. Wie aus einem ersten Bild D2.1 ersichtlich, ist aufgrund eines Hindernisses H ein Stützbein 14.1 nur teilweise ausgefahren, während die verbleibenden Stützbeine vollständig ausgefahren sind. Daraus ergibt sich eine geänderte Einschränkung des Wirkungskreises (gestrichelte Linie L2.1) aufgrund unzulässiger Stützbeinlängs- und -querkräfte, da das nur teilweise ausgefahrene Stützbein 14.1 lediglich einen geringeren Absturzanteil übernehmen kann, so dass in einem in der Darstellung links unten liegenden Bereich ein Ausfahren des Mastarms 18 stark eingeschränkt ist. Ein zweites Bild D2.2 zeigt wieder mit gestrichelten Linien L2.2 analog zu dem zweiten Bild der 5 die Einschränkung des Wirkungskreises aufgrund erhöhter Drehwerksmomente bei der konkreten Schrägstellung und Teilabstützung der Maschine (unverändert gegenüber 5), und ein drittes Bild D2.3 zeigt mit gestrichelter Linie L2.3 wieder die Überlagerung der Einschränkungen L2.1 und L2.2, mithin die Grenze des maximal zulässigen Lastmoments bei aktueller (Teil-)Abstützung und Schrägstellung.
7 schließlich zeigt in analoger Weise anhand dreier Bilder D3.1, D3.2, D3.3 die Einschränkungsverhältnisse bei Teilabstützung entsprechend der Situation in 6, jedoch bei Schrägstellung der Autobetonpumpe 10 in Querrichtung (Richtung quer zur Längsachse L, Neigung β). Dies führt zu einem unveränderten Wirkungskreis bei Betrachtung der Stützbeinlängs- und -querkräfte (Linie L3.1 in Bild D3.1), jedoch zu einem veränderten Wirkungskreis gegenüber der Darstellung der 6 hinsichtlich der Einschränkung aufgrund erhöhter Triebwerksmomente (aufgrund der geänderten Schrägstellung) gemäß der gestrichelten Linie L3.2 in Bild D3.2. Entsprechend ergibt sich eine etwas veränderte Überlagerung der Wirkungskreise, wie sie mit der gestrichelten Linie L3.3 in Bild D3.3 dargestellt ist.
8 zeigt am Beispiel der Lastmoment-Verhältnisse des dritten Bildes D3.3 der 7 (also Teilabstützung aufgrund des Hindernisses H und Schrägstellung β quer zur Längsachse L) eine mögliche Anzeigendarstellung für Bedienpersonal mit ausgefahrenem Mastarm 18, der in der Darstellung der 8 um ca. 70° gegenüber seiner Ruhestellung auf der Autobetonpumpe 10 aus geschwenkt ist. Die Anzeige gibt der Bedienperson zudem einen Hinweis über die Lage des Lastmoments bei aktueller Beladung der Autobetonpumpe und des Förderschlauchs des Mastarms. In dem Ausführungsbeispiel der 8 ist dies eine entlang der Wiedergabe des Mastarms 18 eingezeichnete kreisrunde Anzeige MA, die sich innerhalb des durch die gestrichelte Linie L3.3 wiedergegebenen Wirkungskreises befindet. Damit ist der Bedienperson signalisiert, dass die Autobetonpumpe 10 im unkritischen (grünen) Bereich operiert. Entsprechend kann die Anzeige MA bspw. in grün sein. Zur weiteren Information der Bedienperson kann zusätzlich eine Anzeige MZ vorgesehen sein, die die Lage des Lastmoments bei maximal zulässiger Beladung in dieser Maststellung wiedergibt. Diese Anzeige MZ kann ebenfalls entlang der Wiedergabe des Mastarms 18 eingezeichnet sein. Da es sich um eine Grenzangabe (maximal zulässige Beladung bei der konkreten Mastarmstellung) handelt, liegt diese ebenfalls innerhalb des Wirkungskreises der Linie L3.3. Der Abstand zwischen den beiden Anzeigen MA und MZ signalisiert der Bedienperson, ob und wieviel Beton noch in den Förderschlauch des Mastarms gepumpt werden kann.
Im Folgenden werden als Ausführungsbeispiel mögliche Berechnungsarten dargestellt.
Das Lastmoment kann aus den Zylinderdrücken berechnet werden gemäß $F_{A - Z y l i n d e r} = P_{A Z y l i n d e r B o d e n} * A_{A Z y l i n d e r B o d e n} - P_{A Z y l i n d e r S t a n g e} * A_{A Z y l i n d e r S t a n g e}$
$M_{L a s t} = F_{A - Z y l i n d e r} * H e b e l (φ_{Ö f f n u n g A G e l e n k})$
Der Faktor „Hebel“ in der letztgenannten Gleichung stellt einen von der Gelenkstellung (d.h. von dem aktuellen Gelenköffnungswinkel φ) des A-Gelenks (d.h. des Gelenks des ersten Mastarms 20.1 (A-Arm) zum Drehwerk 16) abhängigen Proportionalitätsfaktor dar, der das Verhältnis zwischen Gelenkmoment M_Last und der gemessenen Zylinderkraft F_A-Zylinder angibt, und kann in Echtzeit aus der Geometrie berechnet werden. Es kann alternativ in der Steuerung ein Kennfeld oder eine algebraische Gleichung hinterlegt werden. Weiter alternativ kann die Zylinderkraft direkt gemessen werden.
Sodann kann das in der aktuellen Stellung maximal mögliche Lastmoment aus der Armstellung berechnet werden. Falls die Autobetonpumpe eine Sensorik umfasst, die die Stellung des Mastes ermitteln kann, ist es zusätzlich möglich, zu ermitteln, wie groß das Lastmoment wäre, wenn die Förderleitung mit Beton der maximalen Dichte gefüllt wäre. $\begin{matrix} S c h w e r p u n k t_{A r m 1} = E n d p u n k t_{D r e h w e r k} + D r e h m a t r i x (φ_{A r m 1}) * S c h w e r p u n k t_{A r m 1 l o k a l} \\ E n d p u n k t_{A r m 1} = E n d p u n k t_{D r e h w e r k} + D r e h m a t r i x (φ_{A r m 1}) * E n d p u n k t_{A r m 1 l o k a l} \\ S c h w e r p u n k t_{A r m 2} = E n d p u n k t_{A r m 1} + D r e h m a t r i x (φ_{A r m 2}) * S c h w e r p u n k t_{A r m 2 l o k a l} \\ E n d p u n k t_{A r m 2} = E n d p u n k t_{A r m 1} + D r e h m a t r i x (φ_{A r m 2}) * E n d p u n k t_{A r m 2 l o k a l} \\ \dots \\ M_{L a s t_m a x} = \sum_{A l l e A r m e + E n d s c h a l u c h} S c h w e r p u n k t_{A r m} * m_{A r m m a x} * g \end{matrix}$
Die Schwerpunkte und Endpunkte der einzelnen Arme sind tabelliert hinterlegt ebenso wie deren Massen mit und ohne Beton in der Leitung.
Wenn die folgende Berechnung mit diesem Lastmoment ausgeführt wird, kann angegeben werden, ob in der aktuellen Maststellung gepumpt werden kann. Wenn die Sensorik der Maststellungsermittlung sicherheitsgerichtet ist, kann dieses Moment so verwendet werden, allerdings werden dabei Überladungen der Betonpumpe (wie z.B. durch Schwerbeton) nicht erkannt.
Als nächstes werden Maschineneigengewicht und Schwerpunkt ermittelt. Das Armgewicht geht (wie im Folgenden noch erkannt wird) nicht in die Berechnung ein, wohl aber das Gesamtgewicht und das Lastmoment. Um das Gesamtgewicht der Maschine abzuschätzen, sollte in der Rechnung immer konservativ mit dem minimal möglichen Armgewicht gerechnet werden.
Wenn mit dem wie voranstehend ermittelten maximal möglichen Lastmoment gerechnet wird, entspricht dies der gefüllten Förderleitung am Verteilermast (andernfalls wäre das Lastmoment kleiner).
Wenn mit dem zuvor aus den gemessenen Zylinderdrücken ermittelten Lastmoment gerechnet wird, muss das minimale Armgewicht berücksichtigt werden, welches das gemessene Lastmoment erzeugen kann. D.h. dass die Armmasse bei kleinem Lastmoment mit der minimalen Armmasse erst dann auf den zur Erzeugung des Momentes notwendigen Wert angehoben wird, wenn der voll gestreckte Arm das Lastmoment ohne Nutzlast nicht mehr erzeugen könnte. Es ist natürlich auch möglich, immer konservativ mit der minimalen Armmasse zu rechnen (zur Ableitung des Schwerpunkts der Auslegerarmanordnung - je leichter der Arm bei gleichem Lastmoment, desto weiter „außen“ liegt der Schwerpunkt).
Weiterhin sind die Gesamtmasse des Unterbaus (bzw. Gesamtfahrzeugs) und der Schwerpunkt des Unterbaus wichtig. Beides wird üblicherweise für jede Maschine „leer“ gemessen (einmal im Werk) und kann in die Steuerung eingepflegt werden.
Für die Unterbaumasseneigenschaften ist außerdem die Stellung der Stützbeine 14 wichtig. Diese Stellungen sind durch übliche Sensorik SB, wie bspw. die ESC-Sensorik der Anmelderin, bekannt, so dass ihr Schwerpunkt in der Steuerung berechnet und der Unterbauschwerpunkt entsprechend korrigiert werden kann.
Zusätzlich können auch das Betongewicht im Trichter 24 der Betonpumpe 10 und das Wasser im Wassertank berücksichtigt werden. Je nach Maststellung kann/sollte jeweils mit dem schlimmsten Fall gerechnet werden (Trichter leer wenn der Arm nach vorne ragt, Trichter voll wenn nach hinten gepumpt wird). Beim Wassertank wäre auch eine Füllstandsmessung denkbar, wobei dann je nach Abstützung das Leerpumpen des Tanks verriegelt werden müsste.
Schließlich erfolgt die Berechnung der Stützbeinkräfte. Das Lastmoment kann nun in die Koordinatenrichtungen aufgeteilt werden (dabei ist es unerheblich, aus welcher Berechnungsmethode es stammt). $M_{L a s t_{z}} = - cos (D r e h w e r k) * M_{L a s t}$
$M_{L a s t_{x}} = - sin (D r e h w e r k) * M_{L a s t}$
Die Kräfte in den Stützbeinen 14 können nach den Gesetzen der statischen Festigkeitslehre näherungsweise berechnet werden: $\begin{array}{l} \sum F_{y} = m_{F a h r z e u g} * g - \sum_{A l l e S t ü t z b e i n e} F_{S t ü t z b e i n_{y}} = 0 \\ \sum M_{x} = F_{g U n t e r b a u} * S_{U n t e r b a u_{z}} + [m_{M a s t} * g * P o s_{D r e h k o p f_{z}} + M_{L a s t_{x}}] \\ + \sum_{A l l e S t ü t z b e i n e} F_{S t ü t z b e i n e_{y}} * P o s_{S t ü t z b e i n e_{z}} = 0 \\ \sum M_{z} = F_{g}_{U n t e r b a u} * S_{U n t e r b a u_{z}} + [m_{M a s t} * g * P o s_{D r e h k o p f_{y}} + M_{L a s t_{y}}] \\ + \sum_{A l l e S t ü t z b e i n e} F_{S t ü t z b e i n e_{y}} * P o s_{S t ü t z b e i n e_{y} = 0} \end{array}$
Bei der üblichen Koordinatensystemwahl liegt die Position des Drehkopfes bzw. Drehwerks 16 im Koordinatenursprung, so dass das Mastgewicht aus den Gleichungen herausfällt. Lediglich das Gesamtgewicht der Maschine sowie das Unterbaugewicht mit Schwerpunkt gehen in die Gleichungen ein.
Wenn mehr als drei Stützbeine 14 mit dem Boden in Kontakt sind, ist das System überbestimmt, eine eindeutige Lösung ist dann nicht möglich. Deswegen können für die Stützbeine Federkonstanten angenommen werden, um die Kräfte zu berechnen. Außerdem wird angenommen, dass die Maschine 10 in der (schiefen) Ebene steht. Für jedes weitere Stützbein (bei vier Stützbeinen gibt es nur ein weiteres, es sind aber auch Fälle mit weiteren Stützbeinen denkbar) muss auch noch folgende Bedingung erfüllt sein: $\vec{{(α}_{S t ü t z b e i n n}} - \vec{α_{S t ü t z b e i n 1})} * \vec{{[(α}_{S t ü t z b e i n 2}} - \vec{α_{S t ü t z b e i n 1}) *} \vec{{(α}_{S t ü t z b e i n 3}} - \vec{α_{S t ü t z b e i n 1})]} = 0$
Dabei gilt für jedes Stützbein: $\vec{α_{S t ü t z b e i n}} = (\begin{matrix} \begin{matrix} P o s_{S t ü t z b e i n_x} \\ P o s_{S t ü t z b e i n_{y}} & + & \frac{F_{S t ü t z b e i n_{y}}}{C_{S t ü t z b e i n_{y}}} \\ P o s_{S t ü t z b e i n_z} \end{matrix} \end{matrix})$
Ergibt sich bei dieser Berechnung für eine Kraft ein negativer Betrag, ist dies ein Zeichen dafür, dass das betreffende Stützbein abhebt. Dieses Stützbein wird dann aus der Berechnung entfernt und das Gleichungssystem wird mit einem Stützbein weniger gelöst.
Die Steifigkeiten der Stützbeine hängen im allgemeinen Fall von der Ausfahrlänge und der Bauart des Unterbaus ab; hier kann wahlweise eine Konstante, ein Kennfeld oder eine Näherungsformel gewählt werden, die entweder in der mechanischen Auslegung oder experimentell bestimmt werden.
Eine alternative Formulierung, die Stützkräfte in alle Raumrichtungen liefert, wäre die Bestimmung der Auflagekräfte mit einem vereinfachten Finite Elemente-Modell (FEM). Dieses besteht im einfachsten Fall aus vier Balkenelementen, die mit Kräften und Momenten, die vorher auf den Drehwerksmittelpunkt umgerechnet worden sind, beaufschlagt werden. In diesen Kräften und Momenten sind alle Lasten aus Eigengewicht, Mast, Betriebslasten usw. zusammengefasst.
Nun werden für alle maßgeblichen Komponenten der Betonpumpe die zulässigen Grenzen überprüft. Beispielhaft werden hier die Prüfungen für einige Bauteile dargestellt.
Bei der Standsicherheitsberechnung bzw. Stabilitätsprüfung wird geprüft, wie groß der Anteil der Vertikalkräfte ist, die nur über zwei Abstützpunkte abgeleitet werden. Wird ein Grenzwert (z.B. 95%) überschritten, ist die Maschine kippgefährdet, und es müssen alle Handlungen vermieden werden, die das Lastmoment ansteigen lassen (wie bspw. und insbesondere die Mastgelenke in ungünstigere Stellungen zu verfahren, das Drehwerk in eine ungünstigere Stellung zu fahren, Vorwärtspumpen mit der Kernpumpe usw.).
Bei der Prüfung der Belastung der Abstützbeine 14 wird angenommen, dass bei gerader Aufstellung der Maschine die Querkräfte in x- bzw. z-Richtung einem Anteil Windfaktor an den Aufstandskräften entsprechen, sinnvoll sind Annahmen von 1 % bis 5 %. Wenn die Maschine schräg aufgestellt ist, steigen die Querkräfte näherungsweise mit dem Sinus des Kippwinkels an: $F_{S t ü t z b e i n_{x}} = F_{S t ü t z b e i n_{y}} * W i n d f a k t o r + | sin N e i g u n g_{z} | * F_{S t ü t z b e i n_{y}}$
$F_{S t ü t z b e i n_{z}} = F_{S t ü t z b e i n_{y}} * W i n d f a k t o r + | sin N e i g u n g_{x} | * F_{S t ü t z b e i n_{y}}$
Aus den Kräften wird mit Hilfe von Konstanten ein Vergleichsauslastungsgrad der Stützbeine 14 bestimmt. Die Konstanten können bspw. in der FEM-Auslegung oder experimentell bestimmt werden. Bspw. gilt: $A u s l a s t u n g s g r a d_{S t ü t z b e i n} = F_{S t ü t z b e i n_{x}} * S_{x} + F_{S t ü t z b e i n_{z} *} S_{z} \leq 1$
Wenn die obenstehende Ungleichung für alle Stützbeine 14 erfüllt ist, dann ist der aktuelle Winkel zulässig.
Es kann dabei sinnvoll sein, dass die Sicherheitsfaktoren S_x bis S_z in der Gleichung von der aktuellen Position des jeweiligen Stützbeins abhängen. Die Sicherheitsfaktoren können bei der Auslegung im FE-System oder experimentell bestimmt werden.
Eine Überprüfung des Drehmoments am Drehwerksgetriebe wird insb. bei Aufstellung der Maschine mit einer Neigung > 3° vorgenommen. Nun kann der Mast nicht in voll gestreckter Stellung mit maximalem Lastmoment in jede Position gedreht werden, ohne das Drehwerk und in der Folge auch den Mast zu überlasten. Es wird daher das zum Mastdrehen notwendige Drehmoment berechnet; ist dieses höher als das Auslegerdrehmoment, darf keine Bewegung mehr ausgeführt werden, die das Moment erhöht. $\begin{matrix} M_{D r e h w e r k} = M_{L a s t_{x}} * (| sin N e i g u n g_{z} | + S_{D r e h w e r k}) + M_{L a s t_{z}} * (| sin N e i g u n g_{z} | + S_{D r e h w e r k}) \\ M_{D r e h w e r k} \leq M_{D r e h w e r k}_{zulässig} \end{matrix}$
In dem Faktor S_Drehwerk sind Sicherheiten enthalten, unter anderem können hier Windkräfte berücksichtigt werden. Theoretisch wäre es auch möglich, diesen Faktor zur Laufzeit zu bestimmen (Windmesser), dann wäre aber eine Anfälligkeit für veränderliche Wetterbedingungen gegeben.
Falls die Messung der Armstellungen oder eine Verwendung dieser Messergebnisse unterbleibt, ist weiterhin eine Stabilitätsüberwachung möglich, jedoch ohne Aussage über die Standsicherheit mit maximaler Beladung.
Falls die aktuelle Armstellung mit sicherer Sensorik ermittelt wird, kann aus diesen Signalen das maximale Lastmoment bei voller Beladung berechnet werden. Damit kann immer berechnet werden, ob die Maschine in dieser Stellung auch pumpen kann, eine Ermittlung des aktuellen A-Gelenksmoments wird unnötig.
Falls die Standsicherheit über die Messung der aktuellen Kippsicherheit realisiert wird, müssen für die Standsicherheit bei maximaler Beladung zusätzlich die Armwinkel ausgewertet werden. Da diese Information aber nicht sicherheitskritisch ist, kann dies mit nicht sicherheitsgerichteter Mastsensorik erfolgen, und die Angabe, ob die Maschine in der Stellung auch noch pumpen kann, wird rein informativ angezeigt.
Erfindungsgemäß kann die Standsicherheitsberechnung somit entweder

- aus der Messung des Stellzylinderdrucks (A-Zylinder), des Öffnungswinkel des A-Arms, des Drehwerkswinkels δ und einer Messung der Positionen der Stützbeine (zzgl. einer Schwerpunktberechnung aus der (unsicheren) Gelenkwinkelmessung zur Berechnung des maximalen A-Gelenkmoments und der Stützbeinpositionen)
- aus der Messung der Abstützkräfte (zzgl. einer Schwerpunktberechnung aus der (unsicheren) Gelenkwinkelmessung zur Berechnung des maximalen A-Gelenkmoments und der Stützbeinpositionen)
- aus einer Messung der Zylinderkraft oder einer Bolzenkraft (zur Vermeidung von Messungsproblemen in den Endlagen) verbunden mit der Berechnung des maximalen A-Gelenkmoments (aus der Messung des Gelenkwinkels und des Drehwerkswinkels δ)

Erfindungsgemäß wird eine unnötige Einschränkung des Arbeitsbereichs einer Autobetonpumpe auch bei stark geneigter Aufstellung vermieden. Es kann auch außerhalb des aktuellen, sicheren Arbeitsbereichs mit verkürzter Reichweite gearbeitet werden. Es kann eine Pumpvorhersage in der Bedienanzeige erfolgen. Des Weiteren ist eine Vergrößerung des zulässigen Neigungswinkels (z.B. 10°) der Maschine möglich; falls nötig, wird von der Steuerung die Reichweite eingeschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2733281 A1 [0002]
EP 2555067 A1 [0003]
EP 2038493 A1 [0004]
DE 102014215019 A1 [0005]
DE 10242270 A1 [0006]

Claims

Autobetonpumpe (10) mit einem Fahrgestell (12), das ausfahrbare Stützbeine (14) aufweist, und einem drehbar und mittels eines Stellzylinders (22) neigungsverstellbar an einem Drehwerk (16) des Fahrgestells (12) angeordneten Betonverteilermast (18), der mehrere schwenkbare Mastarme (20) umfasst, sowie einer Recheneinheit zum Durchführen einer Stabilitätsberechnung anhand von Vertikal- und/oder Horizontalkräften auf zumindest zwei Stützbeine (14), und mit einer Steuerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, abhängig von der Stabilitätsprüfung eine Drehbewegung an dem Drehwerk (16) und/oder eine Schwenkbewegung wenigstens eines Mastarms (20.1, 20.2, 20.3) und/oder die Einleitung eines Pumpvorgangs zu begrenzen.
Autobetonpumpe (10) nach Anspruch 1, - mit Sensoren zum Erfassen von Vertikal- und/oder Horizontalkräften auf zumindest zwei Stützbeine (14), wobei die Standsicherheitsberechnung anhand eines Lastmoments und der gemessenen Vertikal- bzw. Horizontalkräfte erfolgt, oder - mit • einer Abstützsensorik (SB) zum Erfassen der Abstützpunkte der Stützbeine (14), • Neigungssensoren (SN) zum Erfassen der Neigung des Fahrgestells (12) um zwei Achsen, • einem Sensor (SZ) zum Erfassen eines Drucks in dem Stellzylinder (22) (Zylinderdrucksensor), und • einem Drehwinkelsensor (SD) zum Erfassen eines Drehwinkels des Drehwerks (16), wobei die Standsicherheitsberechnung anhand eines Lastmoments und einer Berechnung der Vertikal- bzw. Horizontalkräfte auf zumindest zwei Stützbeine (14) erfolgt.
Autobetonpumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Recheneinheit ein theoretisch maximales Lastmoment bei der aktuellen Maststellung und Unterbauneigung berechnet.
Autobetonpumpe (10) nach Anspruch 3, die des Weiteren eine Benutzerschnittstelle umfasst, über die eine Anzeige erfolgt, ob bei der gegebenen Maststellung ein Pumpvorgang eingeleitet werden kann.
Autobetonpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Lastmoment aus dem Zylinderdruck berechnet wird.
Verfahren zur stabilitätsrelevanten Steuerung einer Autobetonpumpe (10) mit einem Fahrgestell (12), das ausfahrbare Stützbeine (14) aufweist und auf dem ein aus mehreren schwenkbaren Mastarmen (20) gebildeter Betonverteilermast (18) an einem Drehwerk (16) drehbar und mittels eines Stellzylinders (22) neigungsverstellbar angeordnet ist, bei dem eine Drehbewegung an dem Drehwerk (16) und/oder eine Schwenkbewegung wenigstens eines Mastarms (20) und/oder eine Einleitung eines Pumpvorgangs abhängig von einer Stabilitätsberechnung anhand von Vertikal- und/oder Horizontalkräften auf zumindest zwei Stützbeine (14) begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Stabilitätsberechnung anhand eines ermittelten Lastmoments erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem eine Berechnung der Vertikal- und/oder Horizontalkräfte auf zumindest zwei Stützbeine (14) aus Messwerten einer Abstützsensorik (SB) zum Erfassen der Abstützpunkte der Stützbeine (14), Neigungssensoren (SN) zum Erfassen der Neigung des Fahrgestells (12) um zwei Achsen, einem Sensor (SZ) zum Erfassen eines Drucks in dem Stellzylinder (22) (Zylinderdrucksensor) und/oder einem Drehwinkelsensor (SD) zum Erfassen eines Drehwinkels des Drehwerks (16) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das theoretisch maximale Lastmoment bei der aktuellen Maststellung und Unterbauneigung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem über eine Benutzerschnittstelle angezeigt wird, ob bei der gegebenen Maststellung ein Pumpvorgang eingeleitet werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem das Lastmoment aus dem Zylinderdruck berechnet wird.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 11 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, einem Prozessor oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere einer Recheneinheit einer Autobetonpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ausgeführt wird.