DE10320382A1

DE10320382A1 - Mobile Arbeitsmaschine mit Stützauslegern

Info

Publication number: DE10320382A1
Application number: DE2003120382
Authority: DE
Inventors: Peter Beutinger; Gottfried Sawade
Original assignee: STUTTGART VERTRETEN DURCH, University of; Universitat Stuttgart Vertreten Durch Das Institut fur Geotechnik
Current assignee: STUTTGART VERTRETEN DURCH, University of; Universitat Stuttgart Vertreten Durch Das Institut fur Geotechnik
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-12-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine mobile Arbeitsmaschine, wie z. B. einen Autokran, eine Autobetonpumpe oder eine Hubarbeitsbühne. Mobile Arbeitsmaschinen sind mit teleskopierbaren Stützfüßen (24, 26) versehen, die zur Erhöhung der Standsicherheit auf einem Untergrund (28) abstützbar sind und dabei das Fahrgestell (10) anheben. Um beim Aufstellen der Arbeitsmaschine eine zuverlässige Vorhersage über die Tragfähigkeit des Untergrundes (28) machen zu können, sind im Bereich der Stützfüße (24, 26) Messeinrichtungen angeordnet, die einen Stützlastsensor (32) sowie einen stützfußbezogenen Bewegungssensor (34) zur Erfassung der momentanen Stützlast und der Stützfußbewegung beim Aufstellvorgang aufweisen. Weiter ist eine Auswerteeinheit (38) vorgesehen, die auf die Ausgangssignale der Messeinrichtungen ansprechen und die eine Auswertesoftware (39) zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der stützfußbezogenen Bewegungssensoren (34) und Stützlastsensoren (32) und deren Extrapolation zur Ermittlung der stützfußbezogenen Untergrundtragfähigkeit in der Arbeitsphase aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine mit einem Fahrgestell, mit mehreren, vorzugsweise vier beim Aufstellvorgang mittels teleskopierbarer Stützfüße auf einem Untergrund abstützbaren und dabei das Fahrgestell von dem Untergrund abhebenden Stützauslegern, mit im Bereich der Stützfüße angeordneten, jeweils einen Stützlastsensor aufweisenden Messeinrichtungen, und mit einer auf Ausgangssignale der Messeinrichtungen ansprechenden Auswerteeinheit.
Mobile Arbeitsmaschinen, wie z.B. Autokrane, Autobetonpumpen und Hubarbeitsbühnen, sind mit Stützauslegern versehen, die am Einsatzort die Standfestigkeit der Arbeitsmaschine verbessern sollen. Die Stützausleger haben dabei einerseits die Aufgabe, die Fahrzeugfederung zu eliminieren und die Räder zu entlasten. Zum anderen sollen die Stützausleger die Kippgefahr mindern, die sich ergibt, wenn über einen Arbeitsausleger hohe Kippmomente entstehen. Weiter unterliegt der Untergrund aufgrund des über die aufstehenden Stützfüße erzeugten Bodendrucks einer Setzung. Bisher wird die Größe der Aufstandsflächen der Stützfüße anhand von Tabellen, welche in den Bedienungsanleitungen von Maschinenherstellern angegeben sind, abgeschätzt. In den Tabellen werden die Stützlasten der einzelnen Stützfüße und der zulässige Bodendruck des in Betracht kommenden Untergrundes zur Bestimmung der Abstützfläche verwendet. Die Einschätzung des Untergrundes ist jedoch für einen Laien recht schwierig, so dass es immer wieder zu Fehleinschätzungen der Untergrundeigenschaften kommt. Ein Versagen des Untergrunds unter den Stützfüßen kann zu einem Umstürzen der mobilen Arbeitsmaschine führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten mobilen Arbeitsmaschinen der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass bereits bei ihrer Aufstellung eine zuverlässige Vorhersage über die Tragfähigkeit des Untergrundes gemacht werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Verfahrens und einer Anordnung zur Prognostizierung der Bodentragfähigkeit in der Arbeitsphase durch Messungen im Zuge des Aufstellvorgangs der mobilen Arbeitsmaschine.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentansprüchen 1 und ... angegebenen Merkmale vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, dass das Aufsetzen der Stützfüße nach Art eines Plattendruckversuches erfolgt, bei dem aus der Last-Setzungskurve die Tragfähigkeit des Bodens unter Zuhilfenahme eines Expertensystems abgeschätzt wird. Beim Plattendruckversuch wird die Setzung in Bezug auf einen Punkt gemessen, der vom Lasteinleitungsbereich hinreichend weit entfernt ist. Solche Messungen sind beim Aufstellvorgang von Arbeitsmaschinen aber nicht praktikabel. Ziel der Erfindung ist es daher, die Setzung mit bezugspunktunabhängigen Sensoren zu bestimmen. Um dies zu ermöglichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass die Messeinrichtungen zusätzlich einen am jeweiligen Stützfuß angeordneten Bewegungssensor zur Erfassung der Stützfußbewegung beim Aufstellvorgang aufweisen, und dass die Auswerteeinheit eine Auswertesoftware zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der stützfußbezogenen Bewegungssensoren und Stützlastsensoren und zu deren Extrapolation zur Ermittlung der stützfußbezogenen Untergrundtragfähigkeit in der Arbeitsphase aufweist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die stützfußbezogenen Bewegungssensoren als Geschwindigkeitssensoren oder Beschleunigungssensoren ausgebildet sind, während die stützfußbezogenen Stützlastsensoren als Drucksensoren in den Stützzylindern der hydraulisch teleskopierbaren Stützfüße ausgebildet sind. Mit diesen Maßnahmen können die für die Bestimmung der Untergrundtragfähigkeit notwendigen Messungen ohne Zutun des Maschinenführers automatisch beim Aufstellvorgang der mobilen Arbeitsmaschine durchgeführt werden. Dadurch werden Fehleinschätzungen bei der Bestimmung der Untergrundtragfähigkeit vermieden und die daraus resultierende Unfallgefahr reduziert.
Da auch die Neigung der Krafteinleitung in den Untergrund bei der Bestimmung der Untergrundtragfähigkeit eine Rolle spielt, wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Messeinrichtungen zusätzlich jeweils einen Neigungssensor zur Erfassung der Stützfußneigung aufweisen, und dass die Auswertesoftware beim Aufstellvorgang zusätzlich mit den Ausgangsdaten der Neigungssensoren versorgt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Auswerteeinheit Datenspeicher zur Aufnahme der beim Aufstellvorgang in Abhängigkeit von der Zeit über die Stützlastsensoren, die Bewegungssensoren und gegebenenfalls die Neigungssensoren erfassten, stützfußbezogenen Daten aufweist, die von der Auswertesoftware zeitkorreliert abrufbar und auswertbar sind. Die Auswertesoftware weist zu diesem Zweck eine Softwareroutine zur Erzeugung von miteinander zeitkorrelierten Datensätzen aus den Ausgangssignalen der verschiedenen Sensoren auf. Um zu dem gewünschten Ergebnis zu gelangen, wird gemäß der Erfindung weiter vorgeschlagen,

– dass die Auswertesoftware eine Softwareroutine zur Aufbereitung, insbesondere Normierung, Filterung und/oder Glättung der einzelnen Datensätze in Abhängigkeit von der Zeit aufweist,
– dass die Auswertesoftware eine Softwareroutine zur Reduzierung, insbesondere zur zeitbezogenen Integration oder Differenzierung der auf bereiteten Datensätze unter Bildung und Abspeicherung entsprechend reduzierter Datensätze aufweist,
– dass die Auswertesoftware eine Softwareroutine zur Auswahl relevanter Datenbereiche nach Maßgabe vorgegebener Auswahlkriterien aufweist,
– dass die Auswertesoftware eine Softwareroutine zur analytischen Verknüpfung der Datensätze aus den ausgewählten Datenbereichen und Bestimmung der stabilitätsbegründenden Parameter eines vorgegebenen theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modells des Untergrunds aufweist,
– dass die Auswertesoftware eine Softwareroutine zur Bewertung der stabilitätsbegründenden Parameter durch eine auf das verwendete Stützdruck-Setzungs-Modell bezogene Extrapolation nach Maßgabe von vorgegebenen stützfußbezogenen Maximalbelastungen in der Arbeitsphase aufweist,
– dass die Bewertungssoftware eine Softwareroutine zur Bestimmung einer für den jeweiligen Untergrund notwendigen minimalen Aufstellfläche und/oder zu deren Vergleich mit der bei der Aufstellung verwendeten Stützfußfläche aufweist.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise bei der Bestimmung der Tragfähigkeit eines Untergrundes sieht folgende Verfahrensschritte vor:

– Im Zuge des Aufstellvorgangs, bei welchem die Arbeitsmaschine durch die teleskopierbaren Stützfüße vom Untergrund abgehoben wird, wird der Zeitverlauf des Stützdrucks sowie der Bewegungsgeschwindigkeit und/oder -beschleunigung der auf dem Untergrund aufstehenden Stützfüße gemessen,
– daraus wird jeweils der reale Stützdruck-Setzungs-Verlauf des Untergrunds ermittelt
– und mit einem theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modell unter Bestimmung der zugehörigen Modellparameter verglichen,
– anhand des theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modells und der ermittelten Modellparameter wird unter zusätzlicher Berücksichtigung maschinenspezifischer Lastverteilungen in der Arbeitsphase, die aus den Bewegungen eines Arbeitsauslegers resultieren, die stützfußbezogene Untergrundtragfähigkeit in der Arbeitsphase bestimmt.

Insbesondere wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die bei gegebener Untergrundtragfähigkeit erforderliche stützfußbezogene Abstützfläche bestimmt und/oder mit der beim Aufstellvorgang verwendeten Stützfußfläche verglichen und gegebenenfalls angezeigt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als theoretisches Stützdruck-Setzungs-Modell ein hyperbolisches Modell verwendet wird, das durch die beiden Parameter an E₀ (Anfangsverformungsmodul) und p₀ (Grenzdruck) bestimmt ist.
Im Zuge der Auswertung werden die gemessenen Stützlast- und Bewegungsdatensätze einer Datenaufbereitung sowie einer anschließenden Datenreduzierung unterzogen, wobei aus den so ermittelten reduzierten Datensätzen eine Auswahl nach einem vorgegebenen Auswahlkriterium getroffen wird, bevor sie mit dem theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modell verglichen werden. Vorteilhafterweise ist für die der Auswertung zuzuführenden Daten die Bedingung ṗ > ṗ_krit als Auswertekriterium erfüllt, wobei ṗ die Druckänderung während des Aufstellvorgangs und ṗ_krit ein vorgegebener kritischer Mindestwert der Druckänderung bedeuten. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die stabilitätsbestimmenden Parameter mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate zum ausgewählten Datensatz unter Berücksichtigung des theoretischen Modells ermittelt werden, wobei zusätzlich anhand der Lastverteilungsvorgabe der Arbeitsmaschine in der Arbeitsphase unter Berücksichtigung des theoretischen Modells und der ermittelten stabilitätsbestimmenden Parameter die stützfußbezogene Untergrundtragfähigkeit bewertet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels einer Autobetonpumpe näher erläutert. Es zeigen
1 eine Autobetonpumpe mit auf einem Untergrund abgestützten Stützauslegern und einem um 360° verdrehbaren Arbeitsausleger (Verteilermast);
2 eine schematische Darstellung eines Stützauslegers nach 1 mit Messsensoren und Auswerteeinheit;
3 ein Flussdiagramm einer Auswertesoftware zur Erfassung und Auswertung der Sensorsignale einer Messanordnung gemäß 2;
4a bis c drei Messdiagramme p(t), ṗ(t) und a(t) in gleichen Zeitmaßstäben;
5a bis c einen ausgewählten Ausschnitt der aus den Messdiagrammen abgeleiteten Diagramme a(t), v(t) und s(t);
6 einen Vergleich zwischen gemessenen und nach verschiedenen Methoden berechnetem Stützdruck-Setzungs-Diagrammen, abgeleitet aus den Messkurven nach 4 und 5.
Die in 1 dargestellte fahrbare Betonpumpe besteht im Wesentlichen aus einem mehrachsigen Fahrgestell 10, einem an einem vorderachsnahen Mastbock 12 um eine fahrgestellfeste Hochachse 13 drehbar gelagerten Betonverteilermast 14 und einer Stützkonstruktion, die einen fahrgestellfesten Tragrahmen 16, zwei vordere Stützausleger 20 und zwei rückwärtige Stützausleger 22 aufweist. Die vorderen und rückwärtigen Stützausleger 20, 22 sind mit hydraulischen Mitteln von einer fahrgestellnahen Fahrstellung in eine Abstützstellung ausfahrbar und mit je einem mit einem hydraulischen Stützzylinder nach unten ausfahrbaren Stützfuß 24, 26 auf dem Untergrund 28 abstützbar.
Wie insbesondere aus der Detaildarstellung nach 2 zu ersehen ist, trägt jeder Stützfuß 24, 26 eine Lastplatte 30, mit deren Aufstellfläche er auf dem Untergrund 28 aufstellbar ist. Bei der Arbeit mit einer mobilen Baumaschine muss stets auf eine sichere Abstützung geachtet werden. Diese ist nur dann gewährleistet, wenn der Untergrund 28 in der Arbeitsphase der Baumaschine eine ausreichende Tragfähigkeit besitzt. Um Fehleinschätzungen der Untergrundverhältnisse zu vermeiden, ist eine Messanordnung vorgesehen, die beim Aufstellen der Arbeitsmaschine das Setzungsverhalten des Untergrundes 28 überprüft und anhand eines analytischen Stützdruck-Setzungs-Modells einer Bewertung der Tragfähigkeit unterzieht. Zu diesem Zweck sind an jedem Stützfuß ein Lastsensor 32, ein Bewegungssensor 34 und ein Neigungssensor 36 vorgesehen. Der Lastsensor 32 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein in den Stützzylinder des hydraulisch teleskopierbaren Stützfußes integrierter Drucksensor, während der Bewegungssensor 34 als Beschleunigungssensor ausgebildet ist, der auch kleinste Fußbewegungen, die auf Setzungserscheinungen des Untergrundes zurückzuführen sind, registriert. Die Messsignale der Sensoren 32, 34, 36 werden einer computergestützten Auswerteeinheit 38 zugeführt, in der sie unter Bildung von Messdaten digitalisiert und in dieser Form einer Auswertung zugeführt werden.
Die aus den Sensoren 32, 34, 36 im Bereich der Stützfüße 24, 26 und aus der Auswerteeinheit 38 bestehende Anordnung dient zur Vorhersage der Tragfähigkeit des Untergrundes 28 aus den Messdaten, welche beim Aufstellen der Stützfüße erfasst werden. Dabei kommt es im Bereich eines jeden Stützfußes 24, 26 unter der Einwirkung der Last zu einer Verformung des Untergrunds 28 mit einem definierten Stützdruck-Setzungs-Verlauf. Die Vorhersage der Tragfähigkeit des Untergrunds wird unter Verwendung eines für alle Böden gültigen hyperbolischen Verformungsverhaltens, das durch die zwei Parameter E₀ (Anfangsverformungsmodul) und p₀ (Grenzdruck) bestimmt ist, erstellt. Da bei der Aufstellung von Baumaschinen der Einsatz zusätzlicher Messanbauten unerwünscht ist, ist hier eine bezugspunktlose Erfassung der Setzungen an den Lastplatten 30 der Stützfüße 24, 26 vorgesehen. Als bezugspunktunabhängige Bewegungssensoren kommen Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssensoren in Betracht. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist ein Beschleunigungssensor 34 vorgesehen. Die zusätzlichen Neigungsensoren 36 dienen zur Kontrolle der Orientierung der Lastplatte 30 und damit der Korrektur der gemessenen Beschleunigungswerte.
Während des Aufstellvorgangs werden die Lasten z.B. über den Hydraulikdruck p mit den Lastsensoren 32 und die Beschleunigung a über die Bewegungssensoren 34 gemessen.
Durch entsprechende Differenzierung und Integration der gemessenen Daten können der zu bestimmende Setzungsverlauf s = s(p, E0, p0)welcher von der Last p, der Anfangssteifigkeit E₀ und der Grenzlast p₀ des Bodens abhängig ist und die daraus resultierenden Beziehungen ṡ = ṡ(p, ṗ, E0, p0)bzw. s ·· = s ··(p, ṗ, p ··, E0, p0)bestimmt werden. Aus den während des Aufstellvorgangs erfassten Messdaten werden alle Daten entfernt, welche nicht dem geforderten Kriterium eines monotonen Belastungsvorgangs entsprechen. Aus den verbliebenen Datensätzen, die einem monotonen Belastungsvorgang entsprechen, werden die Bodenkennwerte E₀ und p₀ durch eine nichtlineare Regressionsanalyse bestimmt. Im Einzelnen wird hierbei wie folgt vorgegangen:
Es wird davon ausgegangen, dass eine eineindeutige analytische Beziehung zur Bestimmung des Stützdrucks p in Abhängigkeit von der Setzung s existiert.
Die Parameter p₀ und E₀ sind der Grenzdruck und der Anfangsverformungsmodul. Im Folgenden wird von einer hyperbolischen Stützdruck-Setzungsbeziehung ausgegangen:
bzw.
Aus Gl. (3) werden die zeitlichen Ableitungen wie folgt erhalten:
Zur Bestimmung der Bodenkennwerte p₀ und E₀ wird zunächst bei einem realen Aufstellvorgang der Druck p und die Beschleunigung a am Stützfuß gemessen. Nach Beendigung des Aufstellvorganges zum Zeitpunkt t_end liegen Datensätze p(t) und a(t) vor. Da das Verformungsverhalten bei Entlastungsvorgängen durch bleibende Setzungen gekennzeichnet ist, werden aus den gemessenen Druck- und Beschleunigungsdaten nur diejenigen Teildaten berücksichtigt, bei denen der Druck ansteigt, und die Druckänderungsrate größer als ein kritischer Wert ṗ_krit ist. Aus den Daten wird ein Zeitbereich t₀, t₁ ausgesucht, in dem die Bedingung ṗ(t) ≥ ṗkrit für 0 ≤ t0 ≤ t ≤ t1 ≤ tend erfüllt ist.
Die Bestimmung der Parameter p₀ und E₀ erfolgt mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Dabei werden die gemessenen Drücke und Beschleunigungen, bzw. die daraus integrierten Setzungsänderungen und Setzungen durch die analytische Beziehung (1) bzw. (2) ausgedrückt. Hierzu sind die Parameter p₀ und E₀ so anzupassen, das die Abweichungen minimalisiert werden. Das Fehlerfunktional wird je nach der gewählten Auswertemethode wie folgt berechnet:
Die Koeffizienten a₀, v₀, s₀, sind die Offset-Beschleunigung im Zeitintervall t₀t₁, die Anfangsrate der Setzung und die Anfangssetzung zum Zeitpunkt t. Die Parameter werden so bestimmt, dass die Bedingung ψn → Minimum (9)erfüllt wird. Die Parameter a₀, v₀, s₀ und E₀ werden aus den folgenden linearen Gleichungssystemen mit p₀ als Parameter bestimmt:
Methode I (Druck, 2-fache Integration der Beschleunigung):
Aus den linearen Gleichungen (10a–c) werden die Koeffizienten a₀, v₀, so und E₀ in Abhängigkeit von p₀ erhalten und in das Funktional (6) eingesetzt. Der Parameter p₀ wird aus der nichtlinearen Gleichung
bestimmt.
Methode II (Druckänderung, Integration der Beschleunigung):
Methode III (2-fache Druckableitung, Beschleunigung):
Das lineare Gleichungssystem zur Bestimmung der Koeffizienten a₀ und
lautet in expliziter Schreibweise:
Hierbei ist s ··_a die normierte 2te Ableitung der Setzung:
Der Parameter p₀ wird wieder aus der nichtlinearen Beziehung
bestimmt.
Die Integrale werden zweckmäßig durch Summen angenähert. Die Lösung der nichtlinearen Gleichungen (10e, 11d, 12d) werden durch Gradientenmethoden bzw. durch "Probieren" erhalten, wobei die zuvor in Abhängigkeit von p₀ ermittelten Parameter a₀(p₀), E₀(p₀), v₀(p₀) und s₀(p₀) in das Fehlerfunktional ψ eingesetzt werden.
Der Programmablauf 39 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus dem Flussdiagramm nach 3. Der Programmablauf erfolgt für jeden Stützfuß getrennt in der gleichen Weise. Beim Ausfahren des Stützfußes wird die Messphase gestartet und im Programmteil 40, 42 der zeitliche Verlauf der Ausgangssignale der Lastsensoren p(t), der Beschleunigungssensoren a(t) und der Neigungssensoren erfasst. Aus den analogen Messdaten werden digitale Datensätze p(t), a(t) für eine diskrete Anzahl an Zeitschritten t = 0 ... t_end in zugehörigen Datenspeichern abgespeichert. Sobald der Stützfuß vollständig ausgefahren ist, wird die Messung beendet und mit der Auswertung der Daten begonnen. Zunächst werden die Datensätze in der Programmroutine 44 einer Datenaufbereitung unterzogen, bei der die Messdaten normiert, gefiltert und geglättet werden. Außerdem werden die Beschleunigungswerte durch die zeitgleich gemessenen Neigungswerte korrigiert. Hieraus entstehen in einer weiteren Programmroutine 46 reduzierte Datensätze p, ṗ, p ··, a, v, s. Da für die weitere Auswertung nur solche Messwerte in Betracht kommen, bei denen ein monotoner Druckanstieg ṗ ≥ p_krit auftritt, wird in einer Auswahlroutine 48 aus den vorhandenen Datensätzen ein Zeitbereich t₀ ... t₁ ausgewählt, für die in nachfolgenden Regressionsstufen 50 nach den vorbeschriebenen Methoden I bis III die Bodenkennwerte p₀, E₀ ermittelt und einer Bewertung zugeführt werden.
Die Bewertung 52 erfolgt anhand des der Regressionsanalyse zugrundegelegten analytischen Modells des hyperbolischen Stützdruck-Setzungs-Verlaufs unter zusätzlicher Berücksichtigung der vom Maschinenhersteller vorgegebenen Maximalwerte P_max, M_max für die stützbeinbezogenen Lasten und Momente. Dabei wird u.a. geprüft, ob die gewählte Abstützfläche der Lastplatte 30 der Stützfüße eine genügend große Tragfähigkeit für den Betrieb der Maschine aufweist. Dem Maschinenführer wird das Ergebnis der Tragfähigkeitsvorhersage über eine Anzeige 54 mit den eventuell notwendigen Warnhinweisen angegeben.
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise hat den Vorteil, dass die beschriebene Messeinrichtung keine zusätzlichen Tätigkeiten vom Maschinenführer verlangt. Die Messvorgänge erfolgen automatisch während des Aufstellvorgangs. Wenn die Tragfähigkeit des Untergrunds ausreicht, sind keine zusätzlichen Handhabungen erforderlich. Nur wenn die Tragfähigkeit nicht ausreicht, muss der Maschinenführer aufgrund der signalisierten Warnhinweise 54 entscheiden, ob der Aufstellvorgang abgebrochen werden muss, gegebenenfalls um die Lastplatten 30 auszutauschen oder um einen anderen Aufstellort zu wählen.
Ausführungsbeispiel
Für den Fall eines sandiges Untergrunds ist in den 4a und c der zeitliche Verlauf der Ausgangsdaten des als Drucksensor ausgebildeten Lastsensors 32 und des als Beschleunigungssensor ausgebildeten Bewegungssensors 34 in gleichen Zeitmaßstäben aufgezeichnet. Es handelt sich dabei um die aufbereiteten Daten p(t) und a(t) nach dem Verfahrensschritt der Datenaufbereitung 44. Im Diagramm 4b ist außerdem die Druckänderung ṗ(t) im vorgegebenen Zeitmaßstab aufgezeichnet, die aus der Druckmessung nach 4a abgeleitet ist.
Der für die Tragfähigkeitsbestimmung relevante Zeitbereich ergibt sich aus 4b unter Berücksichtigung der Bedingung ṗ(t) ≥ ṗkrit die zu einer Auswahl 48 der Beschleunigungswerte im dort gewählten Zeitintervall zwischen t₀ = 32 und t₁ = 54 Sekunden führt.
Hieraus ergeben sich die in den Diagrammen 5a bis c gezeigten Zeitverläufe der Beschleunigung a(t), der Geschwindigkeit v(t) und der Setzung s(t).
Die Datensätze aus den 4a, 5a, b und c lassen sich unter Verwendung der vorstehend erläuterten Regressionsmethoden zur Ermittlung der Bodenkennwerte p₀ und E₀ heranziehen und ergeben die aus 6 ersichtlichen hyperbolischen Stützdruck-Setzungs-Verläufe gemäß Methode I (Druck, zweifache Integration der Beschleunigung), Methode II (Druckänderung, Integration der Beschleunigung) und Methode III (zweifache Druckableitung – Beschleunigung). Ein Vergleich mit dem tatsächlich gemessenen Stützdruck-Setzungs-Diagramm zeigt, dass die Methoden II und III eine für die Praxis zuverlässige Bewertung der Bodentragfähigkeit ermöglichen. Da beim Betrieb der Baumaschine ohnehin ein ausreichender Sicherheitsabstand vom Grenzdruck p₀ des Untergrundes 28 einzuhalten ist, sind die bei der erfindungsgemäßen Methode auftretenden Abweichungen zwischen Theorie und Praxis von untergeordneter Bedeutung.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf eine mobile Arbeitsmaschine, wie z.B. einen Autokran, eine Autobetonpumpe oder eine Hubarbeitsbühne. Mobile Arbeitsmaschinen sind mit teleskopierbaren Stützfüßen 24, 26 versehen, die zur Erhöhung der Standsicherheit auf einem Untergrund 28 abstützbar sind und dabei das Fahrgestell 10 anheben. Um beim Aufstellen der Arbeitsmaschine eine zuverlässige Vorhersage über die Tragfähigkeit des Untergrundes 28 machen zu können, sind im Bereich der Stützfüße 24, 26 Messeinrichtungen angeordnet, die einen Stützlastsensor 32 sowie einen stützfußbezogenen Bewegungssensor 34 zur Erfassung der momentanen Stützlast und der Stützfußbewegung beim Aufstellvorgang aufweisen. Weiter ist eine Auswerteeinheit 38 vorgesehen, die auf die Ausgangssignale der Messeinrichtungen ansprechen und die eine Auswertesoftware 39 zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der stützfußbezogenen Bewegungssensoren 34 und Stützlastsensoren 32 und deren Extrapolation zur Ermittlung der stützfußbezogenen Untergrundtragfähigkeit in der Arbeitsphase aufweist.

Claims

Mobile Arbeitsmaschine mit einem Fahrgestell (10), mit mehreren, vorzugsweise vier beim Aufstellvorgang mittels teleskopierbarer Stützfüße (24, 26) auf einem Untergrund (28) abstützbaren und dabei das Fahrgestell (10) vom Untergrund (28) abhebenden Stützauslegern (20, 22), mit im Bereich der Stützfüße angeordneten, jeweils einen Stützlastsensor (32) aufweisenden Messeinrichtungen, und mit einer auf Ausgangssignale der Messeinrichtungen ansprechenden Auswerteeinheit (38), dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen zusätzlich jeweils einen stützfußbezogenen Bewegungssensor (34) zur Erfassung der Stützfußbewegung beim Aufstellvorgang aufweisen, und dass die Auswerteeinheit (38) eine Auswertesoftware (39) zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der stützfußbezogenen Bewegungssensoren (34) und Stützlastsensoren (32) und deren Extrapolation zur Ermittlung der stützfußbezogenen Untergrundtragfähigkeit in der Arbeitsphase aufweist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stützfußbezogenen Bewegungssensoren (34) als Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren ausgebildet sind.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stützfußbezogenen Stützlastsensoren (32) als Druckaufnehmer in einem Stützzylinder der hydraulisch teleskopierbaren Stützfüße (24, 26) ausgebildet sind.
Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen zusätzlich jeweils einen Neigungsensor (36) zur Erfassung der Stützfußneigung aufweisen, und dass die Auswertesoftware (39) beim Aufstellvorgang zusätzlich mit den Ausgangsdaten der Neigungssensoren beaufschlagbar ist.
Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (38) Datenspeicher zur Aufnahme der beim Aufstellvorgang in Abhängigkeit von der Zeit über die Stützlastsensoren (32), die Bewegungssensoren (34) und gegebenenfalls die Neigungssensoren (36) erfassten stützfußbezogenen Daten aufweist, die von der Auswertesoftware (39) zeitkorreliert abrufbar und auswertbar sind.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware eine Softwareroutine (42) zur Erzeugung von miteinander zeitkorrelierten Datensätzen aus den Ausgangssignalen der verschiedenen Sensoren aufweist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (44) zur Aufbereitung, insbesondere Normierung, Filtrierung und/oder Glättung der einzelnen Datensätze in Abhängigkeit von der Zeit aufweist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (46) zur Reduzierung, insbesondere zur Integration oder Differenzierung der aufbereiteten Datensätze unter Bildung und Abspeicherung entsprechend reduzierter Datensätze aufweist.
Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (48) zur Auswahl relevanter Datenbereiche aus den gemessenen Datensätzen nach Maßgabe vorgegebener Auswahlkriterien aufweist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (50) zur analytischen Verknüpfung der Datensätze aus den ausgewählten Datenbereichen und zur Bestimmung von Bodenkennwerten (p₀, E₀) eines vorgegebenen theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modells des Untergrunds (28) aufweist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (52) zur Bewertung der Bodenkennwerte durch auf das vorgegebene Stützdruck-Setzungs-Modell bezogene Extrapolation nach Maßgabe vorgegebener stützfußbezogener Maximalbelastungen in der Arbeitsphase aufweist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungssoftware (52) eine Routine (54) zur Bestimmung einer für den gegebenen Untergrund (28) minimalen stützfußbezogenen Aufstellfläche und/oder zu deren Vergleich mit der beim Aufstellen verwendeten Stützfußfläche aufweist.
Anordnung zur Bestimmung der Tragfähigkeit des Untergrunds beim Aufstellen einer mobilen Arbeitsmaschine, die ein Fahrgestell (10), mehrere, vorzugsweise vier beim Aufstellvorgang mittels teleskopierbarer Stützfüße (24, 26) auf dem Untergrund abstützbare und dabei das Fahrgestell (10) vom Untergrund abhebende Stützausleger (20, 22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Stützfuß (24, 26) eine Messeinrichtung zugeordnet ist, die einen Stützlastsensor (32) und einen bezugspunktunabhängigen Bewegungssensor (34) zur Erfassung der Stützfußbewegung beim Aufstellvorgang sowie eine auf Ausgangssignale der Stützlastsensoren und der Bewegungssensoren ansprechende Auswerteeinheit (38) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (38) eine Auswertesoftware (39) zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der stützfußbezogenen Stützlastsensoren (32) und Be wegungssensoren (34) und deren Extrapolation zur Ermittlung der stützfußbezogenen Untergrundtragfähigkeit in der Arbeitsphase aufweist.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die stützfußbezogenen Bewegungssensoren (34) als Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die stützfußbezogenen Stützlastsensoren (32) als Druckaufnehmer einen Stützzylinder der hydraulisch teleskopierbaren Stützfüße (24, 26) ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen zusätzlich jeweils einen Neigungsensor (36) zur Erfassung der Stützfußneigung aufweisen, und dass die Auswertesoftware (39) beim Aufstellvorgang zusätzlich mit den Ausgangsdaten der Neigungssensoren beaufschlagbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (38) Datenspeicher zur Aufnahme der beim Aufstellvorgang in Abhängigkeit von der Zeit über die Stützlastsensoren (32), die Bewegungssensoren (34) und gegebenenfalls die Neigungssensoren (36) erfassten stützfußbezogenen Daten aufweist, die von der Auswertesoftware (39) zeitkorreliert abrufbar und auswertbar sind.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (42) zur Erzeugung von miteinander zeitkorrelierten Datensätzen aus den Ausgangssignalen der verschiedenen Sensoren aufweist.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (44) zur Aufbereitung, insbesondere Normierung, Filtrierung und/oder Glättung der einzelnen Datensätze in Abhängigkeit von der Zeit aufweist.
Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (46) zur Reduzierung, insbesondere zur Integration oder Differenzierung der aufbereiteten Datensätze unter Bildung und Abspeicherung entsprechend reduzierter Datensätze aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (48) zur Auswahl relevanter Datenbereiche aus den gemessenen Datensätzen nach Maßgabe vorgegebener Auswahlkriterien aufweist.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (50) zur analytischen Verknüpfung der Datensätze aus den ausgewählten Datenbereichen und zur Bestimmung von Bodenkennwerten (p₀, E₀) eines vorgegebenen theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modells des Untergrunds (28) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertesoftware (39) eine Softwareroutine (52) zur Bewertung der Bodenkennwerte durch auf das vorgegebene Stützdruck-Setzungs-Modell bezogene Extrapolation nach Maßgabe vorgegebener stützfußbezogenen Maximalbelastungen in der Arbeitsphase.
Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungssoftware (52) eine Routine (54) zur Bestimmung einer für den gegebenen Untergrund minimalen stützfußbezogenen Aufstellflä che und/oder zu deren Vergleich mit der beim Aufstellen verwendeten Stützfußfläche aufweist.
Verfahren zur Bestimmung der Tragfähigkeit eines Untergrundes beim Aufstellen mobiler Arbeitsmaschinen mittels teleskopierbarer Stützfüße, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufstellvorgang der Zeitverlauf des Stützdrucks sowie der Bewegungsgeschwindigkeit und/oder -beschleunigung der auf dem Untergrund aufstehenden Stützfüße gemessen und daraus jeweils der reale Stützdruck-Setzungs-Verlauf des Untergrunds ermittelt und mit einem theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modell unter Bestimmung der zugehörigen Modellparameter (p₀, E₀) verglichen wird, und dass die ermittelten Modellparameter unter zusätzlicher Berücksichtigung maschinenspezifischer Lastverteilungen (P_max, M_max) in der Arbeitsphase die stützfußbezogene Untergrundtragfähigkeit in der Arbeitsphase bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die bei gegebener Untergrundtragfähigkeit erforderliche stützfußbezogene Abstützfläche bestimmt und/oder mit der beim Aufstellvorgang verwendeten Stützfußfläche verglichen und gegebenenfalls angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass als theoretisches Stützdruck-Setzungs-Modell ein nicht lineares, vorzugsweise hyperbolisches Modell verwendet wird, das durch Bodenkennwerte (Anfangsverformungsmodul E₀ und Grenzdruck p₀) bestimmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Stützdruck- und Bewegungsdatensätze einer Datenaufbereitung (44) sowie einer anschließenden Datenreduzierung (46) unterzogen werden, und dass aus den so ermittelten reduzierten Datensätzen eine Auswahl (48) nach einem vorgegebenen Auswahlkriterium getroffen wird, bevor sie mit dem theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modell verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die der Auswertung zuzuführenden Datensätze die Bedingung ṗ(t) ≥ ṗ_krit als Auswahlkriterium erfüllen, wobei ṗ(t) die Druckänderung während des Aufstellvorgangs und ṗ_krit einen vorgegebenen kritischen Mindestwert der Druckänderung bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenkennwerte (p₀, E₀) mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aus den ausgewählten Datensätzen unter Berücksichtigung des theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modells ermittelt werden, und dass anhand der Lastverteilungsvorgabe (P_max, M_max) der Arbeitsmaschine in der Arbeitsphase unter Berücksichtigung des theoretischen Stützdruck-Setzungs-Modells und der ermittelten Bodenkennwerte (p₀, E₀) die stützfußbezogene Untergrundtragfähigkeit bewertet wird.