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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Stabilität bei industriellen
Hubmaschinen und insbesondere auf ein Stabilitäts-Meßsystem für ein Hubfahrzeug, ein Hubfahrzeug
mit einem derartigen System und ein Verfahren zum Messen der Stabilität in einem
Hubfahrzeug.
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Wenn
ein Kranausleger ausgefahren wird und eine Last an seiner Plattform
oder seinem Sockel angelegt wird, bewegt sich der Schwerpunkt des
Fahrzeugs oder der Hubkonstruktion nach außen zu den abstützenden
Rädern,
Schienen, Auslegern oder anderen Stützelementen, die hierbei verwendet
werden. Wenn eine ausreichende Last an den Kranausleger angelegt
wird, bewegt sich der Schwerpunkt über die Räder oder anderen Stützelemente
hinaus, und das Fahrzeug kippt um.
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Im
Zusammenhang mit Kranausleger-Hubvorrichtungen befasst man sich
im Allgemeinen mit zwei Arten von Stabilität, nämlich der "Vorwärts"- und der "Rückwärts"-Stabilität. "Vorwärts"-Stabilität bezieht sich auf diejenige
Art von Stabilität,
mit der man sich befasst, wenn ein Kranausleger in einer maximalen
Vorwärtsstellung
positioniert wird. In den meisten Fällen führt dies dazu, dass der Kranausleger
im Wesentlichen horizontal ist. Hingegen bezieht sich "Rückwärts"-Stabilität auf diejenige Art von Stabilität, mit der
man sich befasst, wenn ein Kranausleger in einer maximalen Rückwärts-Stellung
positioniert wird (zumindest im Hinblick auf den Hubwinkel). Diese
Situation tritt auf, wenn ein Kranausleger vollständig an gehoben
wird und der Drehtisch in die Richtung geschwenkt wird, bei der
das Drehtisch-Gegengewicht zu einem destabilisierenden Moment beiträgt. In den
meisten Fällen
führt dies
dazu, dass der Kranausleger beinahe oder fast vollständig vertikal
ist.
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Typischerweise
kann ein Kranausleger nicht nur in einer vertikalen Ebene, sondern
auch in einer horizontalen Ebene bewegt (das heißt verschwenkt) werden. Bei
einer Kranausleger-Hubvorrichtung
wird z.B. die horizontale Positionierung gewöhnlich über einen Drehtisch durchgeführt, der
den Kranausleger abstützt.
Der Drehtisch und alle durch ihn angetriebene Bauteile (einschließlich des
Kranauslegers und der Arbeits-Plattform)
werden oftmals als "Oberkonstruktion" bzw. "Superstruktur" bezeichnet. Da das
mit Rädern
versehene Fahrgestell, das man bei typischen Anordnungen von Hubvorrichtungen
vorfindet, üblicherweise
keine vollständige
Massensymmetrie in Umfangsrichtung hat, leuchtet es ein, dass gewisse
Positionen des Kranauslegers in Umfangsrichtung vorkommen, die mit
größerer Wahrscheinlichkeit
zu einer potentiellen Instabilität
führen
als andere. Im Falle einer Hubvorrichtung, bei der das Fahrgestell
oder der Hauptrahmen keine Massensymmetrie bezüglich aller möglicher
Umfangspositionen des Kranauslegers hat, ergibt sich dann ein größeres Potential
für eine
Instabilität
z.B. entlang einer seitlichen Richtung des Fahrgestells oder Hauptrahmens,
das heißt
in einer Richtung, die orthogonal zur Längslinie des Fahrgestells oder
Hauptrahmens ist (wobei angenommen wird, dass die "Längsabmessung" des Fahrgestells
oder Hauptrahmens als diejenige definiert wird, die länger als
die "seitliche Abmessung" des Fahrgestells
oder Hauptrahmens ist). Wenn Sicherheitsvorkehrungen in die Hubvorrichtung
integriert werden sollen, müssen
daher diese Umfangspositionen der maximalen potentiellen Instabilität berücksichtigt
werden.
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Eine
ausführlichere
Diskussion der Hubmaschinen-Stabilität findet man in dem US-Patent
Nr. 6098823.
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Stabilitätsprobleme
können
auch aufgrund einer falschen Betätigung
oder eines Missbrauchs durch den Benutzer auftreten, z.B. wenn ein
Benutzer versucht, zusätzliches
Gewicht zu heben und die Maschinenkapazität überschreitet. Bei einer Überlastung
könnte
der Verlust an Maschinenstabilität
dazu führen,
dass die Maschine umkippt. Eine falsche Betätigung oder ein Missbrauch
könnten
auch auftreten, wenn ein Benutzer die Maschine in Schlamm, Sand
oder Schnee festfährt
und Maßnahmen
ergreift, um sich herauszuschieben, indem er den Kranausleger teleskopartig
ausfährt
und in den Boden drückt.
Auch dies führt
zusätzlich
zu einer möglichen
Konstruktionsbeschädigung
und Fehlfunktion der Maschine zu einer Kippgefahr. Ein weiteres
Beispiel einer fehlerhaften Betätigung
oder eines Missbrauchs könnte
auftreten, wenn ein Bediener einen Teil des Kranauslegers auf einen
Balken oder Pfosten anhebt und weiterhin das Anheben versucht. Das
Ergebnis ist ähnlich
wie im Falle der Überlastung.
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Die
Verwendung von die Stabilität
begrenzenden und warnenden Systemen bei lasttragenden Fahrzeugen
wird seit einigen Jahren in der Praxis umgesetzt. Die meisten liegen
in Form einer Einhüllenden-Steuerung
vor. Wenn z.B. der Schwenkwinkel, der Kranausleger-Winkel und die
Kranausleger-Länge
gegeben sind, könnte
ein konservatives Einhüllenden-Stabilitätssystem
für eine
teleskopartige Kranausleger-Hubvorrichtung oder einen Kran entwickelt
werden. Bei diesem Verfahren ist die Anzahl der zum Erzielen der
Stabilitätsmessung
notwendigen Sensoren groß und
trägt zu
einer schlechten Zuverlässigkeit
und erhöhten
Kosten bei, insbesondere für
Maschinen mit Gelenk-Kranauslegern. Außerdem muss die Last in der
Plattform unabhängig überwacht
werden. Ein weiteres praktisches Verfahren besteht darin, den Kranausleger-Winkel
und den Hubzylinder-Druck zu messen. Wenn die Last zunimmt, nimmt
theoretisch auch der Druck in dem den Kranausleger abstützenden
Zylinder zu. In Wirklichkeit ist es komplizierter. Tatsächlich wird
z.B. bei hohen Winkeln ein Großteil
der Last in die Kranausleger-Befestigungsstifte
eingeleitet und führt
nicht zu einer entsprechenden Zunahme des Zylinderdrucks. Auch Hysterese-Fehler
sind signifikant, bei denen die Drücke für denselben Kranausleger-Winkel
sich wesentlich unterscheiden können
je nach dem, ob der Kranausleger-Winkel durch Anheben oder Absenken
des Kranauslegers erreicht wurde.
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Einige
weitere ähnliche
Verfahren können
ebenfalls auf dem Markt gefunden werden. Ähnlich wie die oben beschriebenen
Verfahren verwenden sie jedoch eine große Anzahl von Sensoren und
sind nicht in der Lage, sich mit Situationen der Rückwärts-Stabilität zu befassen.
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Die
DE-A-1028310 offenbart ein Stabilitäts-Meßsystem, ein Hubfahrzeug und
ein Verfahren zum Messen der Stabilität in einem Hubfahrzeug gemäß dem Oberbegriff
der jeweiligen Ansprüche
1, 6 und 11.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Kippmoment eines Kranausleger-Hubfahrzeugs oder eines anderen Hubfahrzeugs
wird gemessen, indem man die Kräfte
auflöst,
die von dem Drehtisch an den Rahmen des Fahrzeugs angelegt werden. Diese
Kräfte
stehen in unmittelbarer Beziehung zur Stabilität der Maschine. Wenn bei Verwendung
einer oberen und einer unteren Grenze für das resultierende Moment
das gemessene Moment nahe an der oberen Grenze ist, ist die Maschine
z.B. nahe an der Vorwärts-Instabilität, und wenn
das gemessene Moment nahe an der unteren Grenze ist, ist die Maschine
nahe an der Rückwärts-Instabilität.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden ein Stabilitäts-Meßsystem
gemäß Anspruch
1, ein Hubfahrzeug gemäß Anspruch
6 und ein Verfahren zum Messen der Stabilität in einem Hubfahrzeug gemäß Anspruch
11 bereitgestellt, wobei die Messung der Kräfte, die von dem Drehtisch
an den Rahmen des Fahrzeugs angelegt werden, durchgeführt wird,
indem man den Drehtisch mit einer Vielzahl von Kraftsensoren abstützt. Vorzugsweise
wird der Drehtisch durch drei Laststifte abgestützt, die in einen Ring eingeführt werden,
der zwischen dem Rahmen und dem Drehtisch angeordnet wird. Die Laststifte
messen die vertikalen Kräfte,
die durch verschiedene Drehtisch-Positionen, Kranausleger-Positionen,
Sockellasten, äußere Lasten,
etc. auf ihnen anliegen. Durch einen einfachen Algorithmus werden
das Moment und der Schwenkwinkel kompensiert.
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Gemäß Anspruch
1 wird ein Stabilitäts-Meßsystem
für ein
Hubfahrzeug bereitgestellt mit einem Fahrzeugrahmen, einem Drehtisch,
der an dem Fahrzeugrahmen befestigt ist und Hubteile des Hubfahrzeugs
abstützt,
sowie einem Drehtisch-Lager, das zwischen dem Fahrzeugrahmen und
dem Drehtisch angeordnet ist, wobei das Stabilitäts-Meßsystem aufweist:
eine
Vielzahl von Lastsensoren zum Festhalten eines Drehtisch-Lagers,
wobei die Lastsensoren zum Messen vertikaler Kräfte auf ein Drehtisch-Lager
vorgesehen sind; und
eine Steuerungsvorrichtung zum Kommunizieren
mit der Vielzahl von Lastsensoren, wobei die Steuerungsvorrichtung
im Betrieb ein von einem Drehtisch auf einen Fahrzeugrahmen einwirkendes
Rotationsmoment bzw. Drehmoment berechnet, indem die durch die Vielzahl
der Lastsensoren gemessenen und auf ein Drehtisch-Lager einwirkenden
vertikalen Kräfte
verarbeitet werden.
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Das
System enthält
vorzugsweise drei Lastsensoren, die um einen Randbereich des Drehtisch-Lagers in
Intervallen von 120° angeordnet
sind. Die Steuerungsvorrichtung berechnet das Rotationsmoment bzw. Drehmoment
auf der Grundlage relativer vertikaler Kräfte, die durch die Lastsensoren
gemessen werden. Die drei Lastsensoren enthalten einen ersten Lastsensor
mit einer Ausgabe (P
1), einen zweiten Lastsensor
mit einer Ausgabe (P
2) und einen dritten
Lastsensor mit einer Ausgabe (P
3), wobei
die Steuerungsvorrichtung das Rotationsmoment bzw. Drehmoment (M)
gemäß folgender
Beziehung berechnet:
wobei R ein Radius eines
die Lastzellen verbindenden Kreises und q ein Drehtisch-Schwenkwinkel
ist.
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Außerdem kann
der Drehtisch-Schwenkwinkel gemäß der folgenden
Gleichung bestimmt werden:
Außerdem wird gemäß der Erfindung
weiter unten ein Hubfahrzeug in Anspruch 6 und ein Verfahren in
Anspruch 11 definiert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Diese
sowie weitere Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden anhand der begleitenden Zeichnung ausführlich beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung eines Hubfahrzeugs und der zugehörigen Teile
ist;
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2 eine
Draufsicht eines Fahrzeugrahmens und eines Drehtisches mit dem erfindungsgemäßen Meßsystem
ist; und
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3 bis 5 eine
Anwendung des Steuerungs-Algorithmus zum Bestimmen des Rotationsmoments
bzw. Drehmoments an dem Fahrzeugrahmen darstellen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
schematisch eine typische Kranausleger-Hubvorrichtung 100,
welche die vorliegende Erfindung in Übereinstimmung mit mindestens
einem zur Zeit bevorzugten Ausführungsbeispiel
verwenden könnte.
In bekannter herkömmlicher
Weise wird ein Fahrgestell 102 auf Rädern 104 abgestützt. Ein
denkbarer Ersatz für
die Räder 104 könnten Schienen,
Schlitten, Ausleger oder andere Arten feststehender oder beweglicher
Stützanordnungen
sein. Ein Kranausleger 106, der sich von dem Drehtisch 108 aus
erstreckt, trägt
vorzugsweise an seinem äußeren Ende
eine Plattform 110. Der Drehtisch 108 kann vorzugsweise
so ausgelegt sein, dass er eine horizontale Schwenkbewegung durchführt, wie
dies durch die Pfeile dargestellt ist, um den Kranausleger 106 bei
einer beliebigen Position mehrerer Umfangspositionen selektiv zu
positionieren, die entlang einer horizontalen Ebene liegen. Es gibt
vorzugsweise eine Antriebsanordnung 112 (wie z.B. einen
Dreh- oder Schwenkantrieb), um die zuvor erwähnte horizontale Schwenkbewegung
zu bewirken. Andererseits ist auch vorzugsweise eine Antriebsanordnung 114 (wie
z.B. ein Hubzylinder) vorgesehen zum Verschwenken des Kranauslegers 106 entlang
einer im Wesentlichen vertikalen Ebene, um die Position des Kranauslegers 106 bei
einem gewünschten
vertikalen Winkel a zu erstellen. Die Antriebsanordnungen 112 und 114 könnten gesondert
voneinander betrieben werden, oder es ist denkbar, dass sie in einer
Einheit kombiniert sind, welche die beiden zuvor erwähnten Funktionen
ausführt.
Wie zuvor erwähnt,
werden der Drehtisch 108 und alle durch ihn angetriebenen
Teile (einschließlich
des Kranauslegers 106 und der Plattform 110) oft
als "Oberkonstruktion" bzw. "Superstruktur" bezeichnet.
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Vorzugsweise
enthält
der Drehtisch 108 in der einen oder der anderen Form ein
Gegengewicht 116. Das Konzept eines Gegengewichts ist dem
Fachmann allgemein geläufig.
Vorzugsweise ist das Gegengewicht 116 bezüglich des
Drehtisches 108 im Wesentlichen diametral gegenüberliegend
von dem Kranausleger 106 angeordnet.
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In 2 enthält das Meßsystem 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Vielzahl von Lastsensoren 12, die an einem
Drehtisch-Lager 118 befestigt sind, das zwischen dem Fahrgestell
oder Rahmen 102 und dem Drehtisch 116 angeordnet
ist. Wie gezeigt, enthält
das Meßsystem 10 drei
Lastsensoren 12, die um einen Umfang des Drehtisch-Lagers 118 in
Intervallen von 120° angeordnet
sind. Alternativ können
zusätzliche
oder weniger Lastsensoren 12 verwendet werden, um ein Rotationsmoment
bzw. Drehmoment zu berechnen, das an dem Fahrzeugrahmen anliegt,
und die Erfindung soll nicht notwendigerweise auf die gezeigten
drei Lastsensoren begrenzt sein. Außerdem müssen die Lastsensoren 12 nicht
notwendigerweise in gleichen Abständen um den Umfang des Drehtisch-Lagers 118 herum
positioniert werden. Der Drehtisch ist üblicherweise an dem Lager bei
verschiedenen Punkten angebracht (typischerweise über 24 Bolzen
bzw. Schrauben). Aus wirtschaftlichen und anderen Gründen bevorzugt
man, die Anzahl der Laststifte zu minimieren, wobei die bevorzugte
minimale Anzahl drei beträgt.
Um hierbei die Lager-Spezifikationen über die maximale zulässige Ablenkung
beizubehalten, kann ein Strukturring bzw. Tragring hinzugefügt werden,
um alle zusätzlichen
Ablenkungen aufzunehmen, die durch die wesentlich geringere Anzahl
von Anbringungspunkten eingeleitet werden (das heißt drei
Lastsensoren 12 gegenüber
24 Befestigungsbolzen).
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Die
Lastsensoren
12 messen vertikale Kräfte auf das Drehtisch-Lager
118.
Ein Beispiel eines geeigneten Lastsensors ist der Laststift vom
Typ 5100 Series Load Pin, der von der Tedea-Huntleigh International, Ltd.,
aus Canoga Park, Kalifornien erhältlich
ist. Die Sensoren
12 kommunizieren mit einer Steuerungsvorrichtung
212', die mit der
Antriebs-Anordnung des Fahrzeugs kommuniziert, und die Steuerungsvorrichtung
212' berechnet ein
Rotationsmoment bzw. Drehmoment, das von dem Drehtisch
108 an
den Fahrzeugrahmen
102 angelegt wird, indem sie durch die
Lastsensoren
12 gemessene vertikale Kräfte verarbeitet, die auf das
Drehtisch-Lager
118 einwirken. In diesem Zusammenhang berechnet
die Steuerungsvorrichtung
212' das Rotationsmoment bzw. Drehmoment
auf der Grundlage relativer vertikaler Kräfte, die durch die Lastsensoren gemessen
werden. Mit Bezug auf die
3 bis
5 lässt sich
eine beispielhafte Formel zum Berechnen des Rotationsmoments an
den Fahrgestellrahmen
102 des Fahrzeugs auf der Grundlage
der vertikalen Kräfte
auf das Drehtisch-Lager
118, die durch die Lastsensoren
12 gemessen
werden, folgendermaßen
ausdrücken:
θ = ϕ oder ϕ + π (je nach
dem Ort des Gegengewichts
116), wobei
wobei M das Rotationsmoment
des Fahrgestell-Rahmens
102 des Fahrzeugs auf der Grundlage
vertikaler Kräfte
auf den Drehtisch ist, R der Radius eines Kreise C
R ist,
der die drei Lastsensoren schneidet, P
1 bis
P
3 die Lastzellen-Messwerte an den Drehtischen
sind und θ der
Drehtisch-Schwenkwinkel ist.
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Da
das System den Schwenkwinkel aus den Lastsensor-Messwerten bestimmen
kann, ist es somit relativ einfach, eine bessere Stabilitäts-Einhüllende zu
erhalten, ohne zusätzliche
Sensoren zum Messen des Schwenkwinkels zu benötigen. Vielmehr kann die Ausrichtung
des Kranauslegers (über
die Vorderseite oder über
die Rückseite
des Fahrgestells) erfasst werden, indem man den gegenwärtig verfügbaren Grenzschalter für das Schwingachsen-Sperrsystem
verwendet. Hubvorrichtungen ohne Schwingachse können mit einem ähnlichen
einfachen Schaltersystem ausgestattet werden.
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Das
sich ergebende Moment kann verwendet werden, um die Stabilität der Maschine
und den Steuerungsbetrieb der Maschinenteile zu bewerten. Im Betrieb
werden eine obere Grenze und eine untere Grenze für das sich
ergebende Moment auf der Grundlage von Kenngrößen der Maschine eingestellt
(z.B. Länge,
Höhe, Gewicht,
Schwenkwinkel etc. des Kranauslegers). Die obere und die untere
Grenze können
experimentell bestimmt werden oder können theoretische Werte sein.
Wenn das gemessene Moment nahe an der oberen Grenze ist, befindet
sich die Schiene nahe bei der Vorwärts-Instabilität. Wenn
das gemessene Moment nahe an der unteren Grenze ist, befindet sich
die Maschine nahe an der Rückwärts-Instabilität. Wenn
sich die Maschine der Vorwärts-
oder Rückwärts-Instabilität nähert, kann
der Betrieb der Maschine über
die Steuerungsvorrichtung 212 gesteuert werden, um zu verhindern,
dass das resultierende Moment die obere oder die untere Grenze überschreitet.
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Zusätzlich zur
Berechnung des Rotationsmoments bzw. Drehmoments, das durch den
Drehtisch an dem Rahmen anliegt, können die Lastsensoren 12 verwendet
werden, um die Last in der Plattform herzuleiten durch: Last = P1 + P2 + P3 – W,wobei
W ein konstantes und bekanntes Gewicht der oberen Konstruktion ist,
die z.B. eine Kranausleger-Plattform und einen Steuerungskasten
enthält.
Des Weiteren kann durch Montieren der Lastsensoren 12 an
dem Drehtisch-Lager 118 das System auch äußere Kräfte auf
den Kranausleger oder dergleichen berücksichtigen, welche die Stabilität beeinträchtigen
können. Üblicherweise
wird nur die Last in der Plattform überwacht.
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Diese
herkömmlichen
Systeme können
daher keine Stabilitätsschwankungen
berücksichtigen,
die durch den Zusammenstoß des
Kranauslegers oder der Plattform mit einem äußeren Gegenstand, wie z.B.
einem Balken oder dergleichen, verursacht werden können, oder
sogar eine Situation, bei der der Kranausleger selbst verwendet
wird, um das Fahrzeug oder etwas anderes als eine Last in der Plattform
anzuheben.
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Mit
dem System gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Auslegerkran-Hubvorrichtung oder ein anderes
Hubfahrzeug sicherer betätigt
werden, indem ein Rotationsmoment bzw. Drehmoment überwacht wird,
das von dem Drehtisch gemäß vertikaler
Kräfte
auf ein Drehtisch-Lager an dem Fahrzeugrahmen angelegt wird. Folglich
kann eine Kippgefahr verringert oder im Wesentlichen eliminiert
werden. Durch Überwachen des
Moments auf diese Weise kann das System der Erfindung genau und
kontinuierlich das wirkliche Vorwärts- und Rückwärts-Kippmoment erfassen. Folglich
kann das System eine als kontinuierlich eingestufte Fähigkeit bewirken
im Gegensatz zu der aktuellen Doppeleinstufung (wie z.B. vollständig ausgefahren,
vollständig
eingezogen). Außerdem
können
die obere und die untere Grenze kontinuierlich mehr Kapazität mit abnehmender Bodenneigung
ermöglichen
(wobei ein Fahrgestell-Kippmonitor verwendet wird), sowie kontinuierlich
mehr Kapazität
von dem Kranausleger über
die Seite zu dem Kranausleger über
den Vorderteil/Hinterteil ermöglichen (herkömmlicherweise
nur für
eine schlechtere Konfiguration eingestuft – Kranausleger über die
Seite). Durch Überwachen
der von dem Drehtisch an dem Rahmen anliegenden Last kann das System
ein bevorstehendes Kippen aufgrund äußerer Kräfte anstatt einer Last in der
Plattform erfassen. Die Auslegungs-Anforderungen können erleichtert
werden, und Maschinen können
für unterschiedliche
Reichweite und Kapazität
vorab-programmiert werden. Das Sys tem kann die Last in dem Korb
herleiten/bestimmen, wodurch geholfen wird, eine strukturelle Überbelastung
der Korb-Befestigungen
und des Nivelliersystems zu verhindern. Durch Überwachen von Momenten und
des Gewichts in dem Korb kann das System verwendet werden, um Information über das
Auftreten übermäßiger Lasten
zu speichern, wobei diese Information verwendet werden kann, um
auf Garantieansprüche
zu reagieren.
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Die
Erfindung wurde zwar anhand dessen beschrieben, was zur Zeit als
die praktischsten und am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiele
erachtet wird, doch ist die Erfindung selbstverständlich nicht
auf die offenbarten Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern soll vielmehr verschiedene Abwandlungen abdecken, die innerhalb
des Schutzumfangs der beigefügten
Ansprüche
liegen.
