EP2386517A1 - Kranausleger, insbesondere Mobilkranausleger, mit vorgespannten Zugelementen - Google Patents

Kranausleger, insbesondere Mobilkranausleger, mit vorgespannten Zugelementen Download PDF

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EP2386517A1
EP2386517A1 EP11160100A EP11160100A EP2386517A1 EP 2386517 A1 EP2386517 A1 EP 2386517A1 EP 11160100 A EP11160100 A EP 11160100A EP 11160100 A EP11160100 A EP 11160100A EP 2386517 A1 EP2386517 A1 EP 2386517A1
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jib part
boom
sensors
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Manitowoc Crane Group France SAS
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Definitions

  • the invention relates to a boom, especially a crane boom, in particular a mobile crane boom according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is to optimize the construction with respect to the stresses. It is solved by the subject matter of claim 1; the subclaims define advantageous embodiments.
  • One or more prestressed tension elements can therefore be integrated into a hybrid construction and checked with the aid of sensors.
  • the material can be better utilized.
  • the signals can be included in the load torque limit to control the bending moments.
  • the measured values are an essential part of the control process and the safety system.
  • the compressive stress in the forming shell can be kept nearly constant as the tensile stress in the adjacent biasing elements decreases. Accordingly, prestressing forces remain almost constant in the tensile area with a simultaneous decrease in the compressive stress in the shell. Simultaneous monitoring with sensors significantly increases safety and usability.
  • Lightweight constructions are of vital importance in crane construction and above all in jib construction. Filigree constructions and the use of lightweight, high-strength materials by utilizing the favorable-acting bias make the boom parts powerful and light with low deformations. Compared to guyed constructions requires a mast according to the invention a smaller space. The load capacities in the strength range and in the stability area can be continuously increased.
  • differential forces can be applied by means of a controlled or controlled adaptation. Due to the applied length changes are forced forces in the Boom part introduced, which counteract the physical effects. The thus statically indefinite system is able to relocate a concentration of stress. The different loads are distributed almost uniformly on the cross section, local peak stresses are avoided.
  • the force component from the guy ropes in the boom longitudinal axis is previously attributed to several boom parts.
  • the individual fasteners are additionally loaded and must be sized larger (Verbolzungsechen, cylinders, ropes, etc.). Due to the inventive bias of the individual jib parts, the low-acting biasing force is short-circuited, the connecting elements are not charged in addition and can be designed more economical.
  • piezoelectric sensors As a signal generator, inter alia, fiber optic sensors or piezoelectric sensors can be used. Piezoelectric composites would be able to detect damage to the component.
  • Actuators generate the variable tensile forces in the elements.
  • hydraulic cylinders pneumatic cylinders, spindles, springs or piezoceramic actuators can be used.
  • the cross section of the forming shell can be designed so that it is suitable to absorb compressive stresses at low material thickness.
  • a Shaping with outwardly curved shells without sharp-edged transitions is to be preferred.
  • Preferred materials for the production of the forming shell include fine grain steel, aluminum or fiber composites.
  • tension elements preferably rods, wires or slats can be used.
  • the distribution over the cross section is arbitrary.
  • the tension elements are distributed over the entire surface or partially over the cross section.
  • they are arranged between the plain bearings to use anisotropic materials that have low strengths transverse to the fiber longitudinal direction.
  • the orientation of the tension elements may extend in the cantilever direction or obliquely thereto.
  • a combination of oblique and longitudinal tension members counteracts the bending and torsional loading of the boom.
  • anisotropic materials are arranged on the sliding bearing surfaces, it must be ensured that the sliding and cladding layers distribute the high concentrated transverse forces from the bearings accordingly.
  • Suitable materials include carbon fibers, natural fibers, high strength steel wires or highly modular plastic fibers.
  • the cross-sectional shape of the tension elements is arbitrary.
  • the anchoring and the force application of the tension elements are located in or on the end frame of the jib part.
  • the tension elements are distributed in hollow profiles, channels or in an elastic matrix over the shaping shell. If the traction elements with the forming shell and / or the sheath form a shear-resistant unit, they must be prestressed before the connection. If the tension elements lie without connecting means between the shaping shell and the transverse winding, they are clamped by the bending deformation and form a positive connection with the shell and the transverse winding.
  • tension elements are in hollow profiles, they are preferably connected to the shaping shell in a shear-resistant manner and are supporting elements of the cross section.
  • the combination of the shell, the hollow sections and the envelope results in the advantageous stability-promoting sandwich construction.
  • the traction units according to the invention can also have a positive influence on the bearing behavior, fatigue strength and serviceability.
  • the tension elements are advantageously protected against damage and environmental influences.
  • the circumferential winding keeps the traction elements running in the longitudinal axis in their position and prevents detachment from the shaping shell. Preference is given to materials which can absorb high compressive forces transversely to their longitudinal axis (glass fiber, natural fiber, highly modular synthetic fibers, etc.).
  • the circumferential material layer absorbs lateral forces, and the stiffening effect increases the buckling resistance and reduces the risk of breakdown in shell constructions.
  • the circumferential fiber composite layer in conjunction with the abrasion-resistant and lubricious outer layer, protects the tension elements.
  • reference numeral 10 generally refers to the boom or boom cross-section.
  • reference numeral 11 biased tension elements are referred to, which are located within hollow sections 12.
  • the reference numeral 13 points to a layer of transverse fibers, while with 14 is a protective layer.
  • the inner shell 15 is a shaping shell, and the lamellae or lamella elements arranged in the transition region between the upper shell and the vertical section have been provided with the reference numeral 16.
  • the arrangement of the anchorages, in which the sensors and / or actuators are housed, are identified by the reference numeral 17.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Jib Cranes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Auslegerteil (10) für einen Kran, insbesondere Mobilkran, mit einer formgebenden Schale (15), Zugelementen (11) und einer Ummantelung (13, 14), wobei die Zugelemente (11) vorgespannt sind und mit Sensoren bestückt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ausleger, speziell einen Kranausleger, insbesondere einen Mobilkranausleger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ausleger gemäß dem Stand der Technik sind rein statisch ausgelegt. Bekannte Ausführungen sind:
  • Alle diese Konstruktionen sind passiv. Die bei im Kranbetrieb auftretenden Einwirkungen verursachen lokale Spitzenbeanspruchungen in den Randbereichen, die entsprechend dimensioniert werden müssen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Konstruktion bezüglich der Beanspruchungen zu optimieren. Gelöst wird sie durch den Gegenstand des Anspruchs 1; die Unteransprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen.
  • Bei Ausführungsformen der Erfindung können die folgenden, nun bis zur Figurenbeschreibung aufgeführten, Ausgestaltungen vorgenommen werden:
    • Die einzelnen Auslegerteile können mit Zugelementen definiert vorgespannt werden, die mittels Sensoren den Ausnutzungsgrad des Auslegerteils kontrollieren und überwachen und die in Längsrichtung oder diagonal zur Auslegerachse ausgerichtet sind. Die Sensoren können mit Aktoren in einem Regelkreis gekoppelt werden, so dass das adaptive System den äußeren Einwirkungen entgegenwirkt. Diese Zugelemente befinden sich auf der Innen- und/ oder Außenseite einer formgebenden Schale oder in den Hohlprofilen einer Fachwerkkonstruktion. Zur weiteren Aussteifung und Aufnahme von Querkräften wird teilweise oder über das gesamte Auslegerteil eine quer zur Auslegerachse verlaufende äußere Faserverbundschicht aufgebracht oder umlaufend umwickelt. Außen und/oder innen ist das Teleskopteil mit einer abriebfesten Beschichtung mit guten Gleiteigenschaften versehen.
  • Ein oder mehrere vorgespannte Zugelemente können also in eine Hybridkonstruktion eingebunden und mit Hilfe von Sensoren überprüft werden. Das Material kann besser ausgenutzt werden. Die Signale können zur Kontrolle der Biegemomente in die Lastmomentenbegrenzung aufgenommen werden. Die Messwerte sind ein wesentlicher Bestandteil des Regelungsprozesses und des Sicherheitssystems.
  • Wird das System aktiv vorgespannt, kann die Druckspannung in der formgebenden Schale nahezu konstant gehalten werden, da die Zugspannung in den angrenzenden Vorspannelementen abnimmt. Entsprechend bleiben im Zugbereich Vorspannkräfte nahezu konstant bei gleichzeitiger Abnahme der Druckspannung in der Schale. Die gleichzeitige Überwachung mit Sensoren erhöht die Sicherheit und die Gebrauchstauglichkeit erheblich. Leichtbaukonstruktionen sind im Kranbau und vor allem im Auslegerbau von existentieller Bedeutung. Filigrane Konstruktionen und der Einsatz von leichten, hochfesten Materialien unter Ausnutzung der günstig wirkenden Vorspannung machen die Auslegerteile bei geringen Verformungen leistungsstark und leicht. Im Vergleich zu abgespannten Konstruktionen benötigt ein erfindungsgemäßer Mast einen geringeren Bauraum. Die Traglasten im Festigkeitsbereich und im Standsicherheitsbereich können kontinuierlich gesteigert werden.
  • Sind die Sensoren mit Aktoren in einem Regelkreis verschaltet, können Differenzkräfte mit Hilfe einer geregelten oder gesteuerten Adaption aufgebracht werden. Durch die aufgebrachten Längenänderungen werden Zwangskräfte in das Auslegerteil eingebracht, die den physikalischen Einwirkungen entgegenwirken. Das somit statisch unbestimmte System ist in der Lage eine Spannungskonzentration umzulagern. Die unterschiedlichen Belastungen werden annähernd gleichmäßig auf den Querschnitt verteilt, lokale Spitzenbeanspruchungen werden vermieden.
  • Die Kraftkomponente aus den Abspannseilen in Auslegerlängsachse wird bisher über mehrere Auslegerteile zurückgeführt. Die einzelnen Verbindungselemente werden zusätzlich belastet und müssen größer dimensioniert werden (Verbolzungseinheiten, Zylinder, Seile, usw.). Durch die erfindungsgemäße Vorspannung der einzelnen Auslegerteile wird die günstig wirkende Vorspannkraft kurzgeschlossen, die Verbindungselemente werden nicht zusätzlich belastet und können wirtschaftlicher ausgelegt werden.
  • Als Signalgeber können unter anderem faseroptische Sensoren oder piezoelektrische Sensoren zum Einsatz kommen. Piezoelektrische Verbundwerkstoffe wären in der Lage Schäden am Bauteil zu erkennen.
  • Aktoren erzeugen die veränderlichen Zugkräfte in den Elementen. Unter anderen sind Hydraulikzylinder, Pneumatikzylinder, Spindeln, Federn oder piezokeramische Aktoren einsetzbar.
  • Mit einem intelligenten elektronischen Regelkreis werden die einzelnen Auslegerteile separat an veränderte Beanspruchungen angepasst, indem auf die jeweiligen Vorspannelemente eine Kraft wirkt oder sie zu einer Längenänderung angeregt werden. Das System aus Schale, Zugelemente mit Sensoren und/oder Aktoren und Hüllschicht erkennt und regelt den Ausnutzungsgrad und verteilt die Belastung harmonisch über den Querschnitt. Die Traglast und die Gebrauchstauglichkeit werden gesteigert. Das Eigengewicht wird verringert und somit die Standsicherheitswerte erhöht. Verformung und Schwingungen reduzieren sich stark, die Dauerfestigkeit erhöht sich und ein Pendeln der Last wird vermindert oder verhindert.
  • Der Querschnitt der formgebenden Schale kann so gestaltet werden, dass er geeignet ist, Druckspannungen bei geringer Materialstärke aufzunehmen. Eine Formgebung mit nach außen gekrümmten Schalen ohne scharfkantige Übergänge ist zu bevorzugen.
  • Bevorzugte Materialien zur Herstellung der formgebenden Schale sind unter anderem Feinkornstahl, Aluminium oder Faserverbundwerkstoffe.
  • Als Zugelemente können bevorzugt Stäbe, Drähte oder Lamellen eingesetzt werden. Die Aufteilung über den Querschnitt ist beliebig. Die Zugelemente sind vollflächig oder teilweise über den Querschnitt verteilt. Bevorzugt werden sie zwischen den Gleitlagern angeordnet um auch anisotrope Materialien einzusetzen, die quer zur Faserlängsrichtung geringe Festigkeiten aufweisen. Die Ausrichtung der Zugelemente kann in Auslegerrichtung oder schräg dazu verlaufen. Eine Kombination von schräg und längs verlaufenden Zugelementen wirkt der Biege- und Torsionsbelastung des Auslegers entgegen. Werden anisotrope Materialien auf den Gleitlagerflächen angeordnet, ist darauf zu achten, dass die Gleit- und Ummantelungsschichten die hohen konzentrierten Querkräfte aus den Lagern entsprechend verteilen. Geeignete Materialien sind unter anderem Kohlefasern, Naturfasern, hochfeste Stahldrähte oder hochmodulare Kunststofffasern.
  • Je nach Material oder Anwendungsfall ist die Querschnittform der Zugelemente beliebig. Die Verankerung und die Krafteinleitung der Zugelemente befinden sich in oder an den Endrahmen des Auslegerteils. Die Zugelemente sind in Hohlprofilen, Kanälen oder in einer elastischen Matrix über die formgebende Schale verteilt. Bilden die Zugelemente mit der formgebenden Schale und/oder der Umhüllung eine schubfeste Einheit, müssen sie vor der Verbindung vorgespannt werden. Liegen die Zugelemente ohne Verbindungsmittel zwischen der formgebenden Schale und der Querwicklung, werden sie durch die Biegeverformung eingeklemmt und bilden mit der Schale und der Querwicklung eine formschlüssige Verbindung.
  • Befinden sich die Zugelemente in Hohlprofilen, so sind diese bevorzugt schubfest mit der formgebenden Schale verbunden und sind tragende Elemente des Querschnittes. Durch die Kombination der Schale, der Hohlprofile und der Umhüllung ergibt sich die vorteilhafte stabilitätsfördernde Sandwichbauweise.
  • Bestehen die Gurte einer Gitter- oder Fachwerkkonstruktion aus Hohlprofilen, können die erfindungsgemäßen Zugeinheiten auch hier Tragverhalten, Dauerfestigkeit und Gebrauchstauglichkeit positiv beeinflussen.
  • Die Zugelemente werden vorteilhafterweise vor Beschädigungen und Umwelteinflüssen geschützt.
  • Die umlaufende Wicklung hält die in Längsachse verlaufenden Zugelemente in ihrer Lage und verhindert ein Ablösen von der formgebenden Schale. Bevorzugt sind Materialien, die quer zu ihrer Längsachse hohe Druckkräfte aufnehmen können (Glasfaser, Naturfaser, hochmodulare Kunststofffasern, usw.). Die umlaufende Materialschicht nimmt Querkräfte auf, und durch die aussteifende Wirkung wird die Beulsteifigkeit erhöht und die Durchschlaggefahr bei Schalenkonstruktionen reduziert. Die umlaufende Faserverbundschicht schützt in Verbindung mit der abriebfesten und gleitfähigen Deckschicht die Zugelemente.
  • In den beiliegenden Zeichnungen werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Ausleger;
    Figur 2
    einen vergrößerten Ausschnitt des Querschnitts aus Figur 1;
    Figur 3
    einen wiederum vergrößerten Ausschnitt des Oberschalenstückes aus der Figur 2;
    Figur 4
    eine Schräg-Gitteransicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kranauslegers; und
    Figur 5
    eine vergrößerte Ansicht des vorderen Kragenbereichs des Auslegers, der in der Figur 4 dargestellt ist.
  • Die in den Zeichnungen dargestellten Auslegervarianten können so gestaltet werden, wie dies weiter oben allgemein und hierin für verschiedene Ausführungsformen dargestellt wird. In den Zeichnungen weist das Bezugszeichen 10 ganz allgemein auf den Ausleger bzw. den Auslegerquerschnitt. Mit dem Bezugszeichen 11 sind vorgespannte Zugelemente bezeichnet, die sich innerhalb von Hohlprofilen 12 befinden. Das Bezugszeichen 13 zeigt auf eine Schicht aus Querfasern, während mit 14 eine Schutz- bzw. Gleitschicht bezeichnet wird. Die innere Schale 15 ist eine formgebende Schale, und die im Übergangsbereich zwischen Oberschale und vertikalem Abschnitt angeordneten Lamellen bzw. Lamellenelemente sind mit dem Bezugszeichen 16 versehen worden. Die Anordnung der Verankerungen, in denen die Sensoren und/oder Aktoren untergebracht sind, sind mit dem Bezugszeichen 17 gekennzeichnet.

Claims (13)

  1. Auslegerteil (10) für einen Kran, insbesondere Mobilkran, mit einer formgebenden Schale (15), Zugelementen (11) und einer Ummantelung (13, 14), dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (11) vorgespannt und mit Sensoren bestückt sind.
  2. Auslegerteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (11) mittels Aktoren eine veränderbare Druck-Vorspannung in das Auslegerteil einleiten.
  3. Auslegerteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslegerteil mittels Sensoren und Aktoren über einen Regelkreis äußeren Einwirkungen adaptiv entgegenwirkt.
  4. Auslegerteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verankerungen (17) der Zugelemente (11) in oder an den Endrahmen angeordnet sind.
  5. Auslegerteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in den Zugelementen integriert sind.
  6. Auslegerteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sensoren und/oder Aktoren an den Enden der Zugelemente (11) befinden.
  7. Auslegerteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (11) von einer quer zur Auslegerachse verlaufenden Faserschicht (13) ummantelt sind.
  8. Auslegerteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (11) in Kanälen oder Hohlprofilen (12) verlaufen.
  9. Auslegerteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (11) in einer elastischen Matrix eingebettet sind.
  10. Auslegerteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (11) umwickelt und eingeklemmt werden.
  11. Ausleger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente vorgespannt und schubfest mit der formgebenden Schale (15) und/oder mit der Umhüllung bzw. Ummantelung (13, 14), verbunden sind.
  12. Ausleger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die formgebende Schale, die Hohlprofile mit den Zugelementen und die Umhüllung schubfest verbunden sind und ein Sandwichprofil bilden.
  13. Ausleger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (11) in Längsrichtung der Auslegerachse und/oder schräg dazu verlaufen.
EP11160100A 2010-05-10 2011-03-29 Kranausleger, insbesondere Mobilkranausleger, mit vorgespannten Zugelementen Not-in-force EP2386517B1 (de)

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