EP3533933B1

EP3533933B1 - Verfahren zur leistungsverwaltung bei der pfahlgründung mit einer trägermaschine und einem daran montierten anbaugerät

Info

Publication number: EP3533933B1
Application number: EP19159079.3A
Authority: EP
Inventors: Nicola Schlatter; Patrick Jussel
Original assignee: Liebherr Werk Nenzing GmbH
Current assignee: Liebherr Werk Nenzing GmbH
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: DE102018104331A1; JP2019148162A; EP3533933A1; US10704219B2; US20190264413A1; JP7173892B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsverwaltung während der Pfahlgründung mit einer Trägermaschine zum Ausheben eines Bohrloches und einem an der Trägermaschine montierten Anbaugerät zum zeitgleichen Einbringen einer Verrohrung in den Boden, wobei die Energieversorgung für das Anbaugerät zumindest teilweise durch die Trägermaschine bereitgestellt wird.
Beim Greiferbohren mit einem Anbaugerät in Form einer Verrohrungsmaschine/Rohrdrehmaschine arbeiten zwei an und für sich unabhängige Geräte gemeinsam am Erstellen eines Pfahls. Die Trägermaschine in Form eines Seilbaggers umfasst einen Greifer zum Ausheben eines Lochs. Eine ebenfalls am Seilbagger befestigte Verrohrungsmaschine/Rohrdrehmaschine dient zum Einspannen der Verrohrung, die durch gleichmäßige Rotationsbewegungen synchron zum Aushub in den Boden eingebracht werden soll. Die notwendige Energie für die Verrohrungsmaschine wird üblicherweise durch die Trägermaschine bereitgestellt. Gattungsentsprechende Verfahren sind Stand der Technik und können beispielsweise der EP 3 081 737 A2 entnommen werden.
Der Bediener des Seilbaggers/Bohrgerätes bzw. der Verrohrungsmaschine/Rohrdrehmaschine stellt beispielsweise über einen Regler den Energiefluss zur Verrohrungsmaschine/Rohrdrehmaschine ein. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass der Energiefluss quasi statisch ist und nur sporadisch verändert werden kann.
Je nach Arbeitsschritt bzw. Arbeitszyklus kann es dabei vorkommen, dass der Verrohrungsmaschine entweder zu viel oder zu wenig Energie für die jeweilige Tätigkeit zur Verfügung gestellt wird, wodurch nicht nur der gesamte Energieverbrauch unnötig erhöht wird, sondern ebenfalls Verzögerungen im Arbeitsablauf in Kauf genommen werden müssen.
Es wird daher nach einer Lösung gesucht, die die voranstehend erläuterten Nachteile zu überwinden weiß.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausgehend vom den gattungsgemäßen Verfahren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Steuerung der Trägermaschine den Energiefluss zwischen der Trägermaschine und dem Anbaugerät zur hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Energieversorgung des Anbaugerätes verteilt, wobei eine dynamische Regelung des Energieflusses unter Berücksichtigung des aktuellen Leistungsbedarfs der Trägermaschine und/oder des Anbaugerätes erfolgt, um die Auslastung und Effektivität der Trägermaschine und dem Anbaugerät zu optimieren. Die Trägermaschine kann beispielsweise ein Seilbagger sein, der mit einem entsprechenden Greiferbohrer zum Ausheben eines Bohrloches bzw. einem Bohrgerät wie einem Kelly-Bohrer ausgestattet ist. Das Anbaugerät ist beispielsweise eine Verrohrungsmaschine bzw. eine Rohrdrehmaschine zum Einbringen einer Verrohrung in das Erdreich.
Die Steuerung der Trägermaschine soll erfindungsgemäß die Verteilung der Energie zwischen dem Anbaugerät und der Trägermaschine dynamisch regeln, um dadurch die Auslastung und Effektivität der beiden Maschinen zu optimieren. Vorwiegend geht es hierbei um hydraulische bzw. pneumatische Energie, die durch die Trägermaschine dem Anbaugerät zur Verfügung gestellt wird. Das Verfahren ist jedoch nicht auf eine bestimmte Energieart festgelegt und könnte ebenso für das Energiemanagement elektrischer Energie zur Anwendung kommen.
Sinnvollerweise ist der Steuerung der Prozessablauf bekannt bzw. hat diese Kenntnis über zukünftige Arbeitsschritte der Trägermaschine bzw. des Anbaugerätes. Bei zyklischen Prozessen kann diese Kenntnis auch aus vergangenen Zyklen erlernt werden. Wenn etwa einer der beiden Verbraucher immer beim gleichen Teilzyklus energetisch an seine Grenzen stößt und gleichzeitig der andere Verbraucher nicht die gesamte Energie benötigt, so kann etwa eine dynamische Anpassung erlernt werden. Auf Grundlage dieser Information über nachfolgende Arbeitsschritte kann dadurch eine dynamische Regelung des Energieflusses erfolgen. Konkret setzt sich der Gesamtenergieaufwand für die Erstellung des Pfahls aus dem Leistungsbedarf der Trägermaschine für das Ausheben des Bohrloches und dem Leistungsbedarf des Anbaugerätes zum Einbringen der Verrohrung zusammen. Die jeweiligen, auf den Geräten ausgeführten zyklischen Arbeitsschritte zeichnen sich durch einen variablen Leistungsbedarf aus. Demzufolge ist es sinnvoll, dem Anbaugerät bei der Ausführung weniger energieaufwendiger Arbeitsschritte weniger Energie zuzuführen, um die überschüssige Energie stattdessen in der Trägermaschine nutzen zu können. Erfolgt stattdessen ein Prozess im Anbaugerät mit hohem Leistungsbedarf und die Trägermaschine benötigt vergleichsweise wenig Leistung, so bietet es sich an, den Energiefluss zum Anbaugerät zu maximieren. Dadurch lassen sich gezielt einzelne Arbeitsschritte schneller ausführen, was die gesamte Prozessdauer optimieren kann. Auch lässt sich hierdurch der gesamte Leistungsbedarf während des Pfahlgründungsprozesses optimieren, denn das unnötige Bereithalten überschüssiger Energie an der Trägermaschine bzw. am Anbaugerät wird verhindert bzw. zumindest reduziert.
Für die dynamische Regelung ist es vorstellbar, den Energiefluss zum Anbaugerät zu begrenzen oder unter Umständen vollständig zu stoppen. Eine Begrenzung kann beispielsweise stufenartig erfolgen. Denkbar ist jedoch auch eine stufenlose Begrenzung, um eine möglichst feine Justierung des Energieflusses zu ermöglichen.
Wie beansprucht erfolgt die Steuerung des Energieflusses durch eine Steuerung der Trägermaschine. Denkbar ist es jedoch ebenfalls, die Verfahrensausführung zumindest teilweise auf eine externe Steuerung auszulagern, beispielsweise auf die Steuerung des Anbaugerätes. Sinnvollerweise besteht zwischen der Trägermaschine und dem Anbaugerät eine Kommunikationsschnittstelle, um verfahrensrelevante Informationen für die dynamische Regelung des Energieflusses zwischen den Maschinen austauschen zu können.
Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, über die Kommunikationsschnittstelle eine Anforderung zur Leistungsreduzierung bzw. Leistungserhöhung zwischen den Maschinen auszutauschen. Denkbar ist es beispielsweise, dass die Trägermaschine bzw. die Steuerung der Trägermaschine das Anbaugerät über die Kommunikationsschnittstelle auffordert, seinen Energieverbrauch zu reduzieren, um dadurch der Trägermaschine einen höheren Leistungsanteil zu sichern. Umgekehrt könnte auch das Anbaugerät über die Kommunikationsschnittstelle von der Trägermaschine eine Erhöhung des Energieflusses zum Anbaugerät anfordern.
Eine entsprechende Anforderung zur Leistungsreduzierung an das Anbaugerät kann auch eine Anweisung und Vorgabe auszuführender Arbeitsschritte des Anbaugerätes enthalten. In diesem Kontext ist es vorstellbar, dass die Trägermaschine dem Anbaugerät auszuführende Arbeitsschritte vorgibt bzw. ein oder mehrere Arbeitsschritte empfiehlt. Ein solche Empfehlung richtet sich sinnvollerweise nach dem eigenen Leistungsbedarf der Trägermaschine. Benötigt diese vergleichsweise viel Leistung, so enthält die Vorgabe bzw. Empfehlung energiesparsame Arbeitsschritte auszuführen, umgekehrt wird die Ausführung energiehungriger Arbeitsschritte empfohlen/vorgegeben, wenn aktuell überschüssige Energie seitens der Trägermaschine zur Verfügung steht.
Mittels der dynamischen Regelung des Energieflusses lässt sich die Prozessdauer einzelne Arbeitsschritte gezielt beeinflussen bzw. steuern. Dies betrifft sowohl Arbeitsschritte des Anbaugerätes als auch der Trägermaschine. Konkret kann durch die Bereitstellung zusätzlicher Energie bspw. die Rotationsbewegung des Anbaugerätes zu beschleunigen. Im Umkehrschluss führt eine Leistungsreduktion zu einer Verzögerung bzw. Verlangsamung der jeweiligen Arbeitsschritte.
Für die Pfahlgründung und insbesondere für einen optimalen Energieaufwand bei der Pfahlgründung ist es von besonderer Bedeutung, dass der Verrohrungsprozess mit dem gleichzeitigen Ausheben des Bohrloches synchronisiert wird. Wenn beispielsweise der Aushub der Verrohrung vor eilt, besteht die Gefahr eines Abstürzen der Verrohrung, was Materialschäden und Kosten verursachen kann. Wenn allerdings die Verrohrung zu stark vor eilt, wird die Mantelreibung auf der Innenseite zu groß, was höhere Energiekosten verursachen kann. Dementsprechend sollte der Fortschritt beider Prozesse in etwa gleich gehalten werden bzw. die Verrohrungstiefe der Aushubtiefe mit konstantem Abstand geringfügig vor eilen.
Dieser Zusammenhang macht eine Überwachung der Differenz zwischen der Tiefe des Erdaushubes und der Verrohrungstiefe sinnvoll, wobei im weiteren Schritt die ermittelte Differenz bei der dynamischen Regelung des Energieflusses berücksichtigt wird. Insbesondere wird durch aktive Einflussnahme auf die Leistungsverteilung die Tiefendifferenz oberhalb und/oder unterhalb eines unteren bzw. oberen Grenzwertes gehalten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Energiefluss zum Anbaugerät gedrosselt wird, falls die Verrohrungstiefe um mindestens einen Grenzbetrag größer ist als die Aushubtiefe. Umgekehrt kann es sinnvoll sein, den Energiefluss zum Anbaugerät zu vergrößern bzw. gar zu maximieren, falls die Aushubtiefe um mindestens einen Grenzbetrag größer ist als die aktuelle Verrohrungstiefe. Ein solcher Zusammenhang zwischen Tiefendifferenz und Leistungsverteilung lässt sich besonders vorteilhaft durch eine Kostenfunktion abbilden, wobei diese bspw. in Abhängigkeit der Tiefendifferenz den an das Anbaugerät abzugebenden mittleren Leistungsanteil festlegt.
Wie bereits vorstehend angedeutet wurde, lassen sich die Arbeitsprozesse des Anbaugerätes und/oder der Trägermaschine in zyklisch auftretende Einzelschritte unterteilen, die sich auch hinsichtlich desLeistungsbedarfs voneinander unterscheiden. Zur Optimierung der Leistungsverwaltung ist es besonders vorteilhaft, die Ausführung bzw. zukünftige Ausführung der Einzelschritte während eines kompletten Arbeitszyklus bei der dynamischen Regelung des Energieflusses zu berücksichtigen. Hierbei ist es sinnvoll, dass der Energiefluss zur Trägermaschine auf Grundlage des mittleren Leistungsanteils unter weiterer Berücksichtigung des zyklischen Grabprozesses der Trägermaschine dynamisch eingestellt wird. Dies kann vorzugsweise durch Multiplikation des mittleren Leistungswertes mit einem Gewichtungsparameter erfolgen, der den aktuellen Einzelschritt eines vollständigen Arbeitszyklus kennzeichnet. Konkret ist es möglich, dass ein solcher Gewichtungsparameter während des Grabens und Hebens des Grabwerkzeuges der Trägermaschine kleiner ist als während des Senkens und Entleerens des Grabwerkzeuges. Die Wahl der passenden Gewichtung sorgt nun dafür, dass dem Anbaugerät während des Grabens und Hebens der Trägermaschine ein geringerer Leistungsanteil bereitgestellt wird (bspw. Gewichtungsfaktor kleiner 1), da der Grab- und Hebeprozess der Trägermaschine vergleichsweise energieaufwendig ist. Umgekehrt ist während des Senkens und Entleerens des Grabwerkzeugs der Trägermaschine der Leistungsbedarf deutlich geringer, überschüssige Energie kann durch die Wahl eines höheren Gewichtungsfaktors, bspw. etwa 1, dem Anbaugerät zur Verfügung gestellt werden.
Aufgrund der Geometrie der Konstruktion einer typischen Verrohrungsmaschine ergibt sich ein optimaler Wirkungsgrad der Kraftübertragung bei einer bestimmten Stellung der beiden Oszillierzylinder. Bei großen Abweichungen in beide Richtungen nimmt der Wirkungsgrad ab. Insbesondere bei sehr großen Verrohrungstiefen reduziert sich der effektive Oszillationswinkel an der Front der Verrohrung aufgrund von Verwindungen der Verrohrung. Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, diesen Oszilierwinkel während des Betriebs bzw. bei fortschreitenden Verrohrungstiefen ebenfalls dynamisch einzustellen. Hierbei erweist es sich als sinnvoll, wenn das Anbaugerät unter Berücksichtigung der aktuellen Leistungsaufnahme des Anbaugerätes und/oder in Abhängigkeit der Verrohrungstiefe bzw. der Aushubtiefe den Oszillationswinkel dynamisch einstellt. Hierdurch lässt sich der Arbeitsprozess bzw. die Effektivität der Verrohrungsmaschine gezielt optimieren, denn unter Berücksichtigung der vorgenannten Größen kann ein optimaler, maximaler Oszilierwinkel eingestellt werden.
Von weiterer Bedeutung ist die Bodenfestigkeit am aktuellen Arbeitsort. Für die optimale Einstellung des Anbaugerätes bzw. der Trägermaschine kann auch dieser Faktor berücksichtigt werden. Insbesondere kann bei schlechtem Vortrieb der Verrohrungsmaschine ein weiteres Rohrstück zur Erhöhung des Anpressdruckes montiert werden. Auch ist es vorstellbar, dass in einem solchen Fall die Verrohrungsmaschine gezielt über die Kommunikationsschnittstelle von der Trägermaschine mehr Energie für den Verrohrungsvorgang anfordert. Die aktuelle Vorschubgeschwindigkeit kann die Verrohrungsmaschine beispielsweise unter Berücksichtigung der zeitlichen Tiefenänderung der Verrohrung bestimmen.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein System zur Pfahlgründung entsprechend Anspruch 13, bestehend aus einer Trägermaschine, insbesondere einem Seilbagger oder Bohrgerät, und wenigstens einem Anbaugerät, vorzugsweise eine Verrohrungs- oder Rohrdrehmaschine. Das Anbaugerät bzw. die Trägermaschine umfassen wenigstens eine Steuerung, wobei die Steuerung der Trägermaschine ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Erfindungsentsprechend wird nämlich die Steuerung des Verfahrens durch eine Steuerung der Trägermaschine übernommen. Demnach zeichnet sich das System durch dieselben Vorteile und Eigenschaften aus, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich erläutert wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1:: eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Systems bestehend aus einer Trägermaschine sowie einer Verrohrungsmaschine;
Figur 2:: eine Seiten- und Draufsicht auf die Verrohrungsmaschine;
Figur 3:: eine Diagrammdarstellung zur Verdeutlichung der Kostenfunktion in Abhängigkeit der Tiefendifferenz zwischen Verrohrungstiefe und Aushubtiefe und
Figuren 4a, 4b:: zwei Diagrammdarstellungen der Aushub- bzw. Verrohrungstiefe gegenüber der Zeit.

Das Erstellen von Pfählen mittels einer Verrohrungsmaschine (VRM) in Kombination mit einem Seilbagger (Greiferbohren) oder einem Bohrgerät (Kellybohren) soll durch einen Assistenten bezüglich Energie (Kraftstoffverbrauch) und der benötigten Zeit optimiert werden. Der Assistent regelt dabei die Verteilung der Energie zwischen der VRM und der Trägermaschine dynamisch, um die Auslastung und Effektivität der beiden Maschinen zu optimieren.
Beim Greiferbohren mit einer VRM arbeiten zwei an und für sich unabhängige Geräte, nämlich ein Seilbagger 1 sowie das Anbaugerät des Seilbaggers in Form der Verrohrungsmaschine gemeinsam am Erstellen eines Pfahls. Wie in der Figur 1 beispielhaft dargestellt ist, übernimmt der Seilbagger 1 mit einem drehbaren Oberwagen, einem Ausleger 2 und einem Greifer 3 das Ausgraben eines Lochs. Am Seilbagger angebaut ist eine Verrohrungsmaschine, bestehend aus einer Bodenplatte 201 und einem gegenüber der Bodenplatte 201 im Abstand verstellbarer Tisch 301. Mit dieser Verrohrungsmaschine kann eine Verrohrung 100 folgendermaßen in den Boden eingetrieben werden: der Tisch 301 wird beispielweise mit Hilfe eines Spannzylinders mit der Verrohrung 100 verriegelt. Anschließend wird die Bodenplatte 201 angehoben, wodurch die Gewichtskraft der Verrohrung 100, des Tisches 301 und der Bodenplatte 201 nach unten wirkt. Um die Haftreibung zu überwinden wird in einem weiteren Schritt der Tisch 301 in Bewegung versetzt, beispielsweise in horizontale Oszillationen (sogenannte Verrohrungsmaschinen) oder auch in eine kontinuierliche Rotation (sogenannte Rohrdrehmaschinen). Durch dieses Zusammenspiel senkt sich die Verrohrung 100 in den Boden, während der Seilbagger 1 das Erdreich innerhalb der Verrohrung 100 ausbaggert.
Mit mehr Details ist die Verrohrungsmaschine in den Figuren 2a, 2b dargestellt, die die Verrohrungsmaschine mit Verrohrung 100 in einer Seiten- und Draufsicht zeigen. Der Tisch 301 kann beispielsweise mittels Klemmen mit dem Rohr 100 verklemmt werden. Die Bodenplatte 201 kann über Hubzylinder zwischen den Verbindungsstellen 211/311 und 212/312 angehoben werden. Durch synchronisierte Bewegungen der beiden Oszillatorzylindern zwischen den Verbindungsstellen 313/413 und 314/414 kann der Tisch 301 gegenüber der Bodenplatte 201 Drehbewegungen ausführen. Eine starre Lenkstange ist einerseits im Punkt 321 gelenkig am Tisch 301 und andererseits im Punkt 421 gelenkig am Element 401 montiert. Durch Bewegung eines Lenkzylinders, der einerseits im Punkt 415 gelenkig mit der Lenkstange und andererseits gelenkig im Punkt 215 an der Bodenplatte 201 montiert ist, lässt sich die Neigung der Verrohrung 100 um die y-Achse einstellen, durch unterschiedliche Hubhöhe der beiden Hubzylinder kann die Neigung der Verrohrung 100 um die x-Achse eingestellt werden. Die Drehpunkte 413, 414 und 421 lassen sich mittels einer Führung 401 horizontal gegenüber dem fix mit dem Tisch 201 verbundenen Aufbau 202 verschieben. Mittels des Neigungssensors 501 lässt sich die Neigung des Tisches 301 erfassen, insbesondere um diesen für die gewünschte Pfahlneigung ausrichten zu können. Der Neigungs- oder Winkelgeber 502 erfasst die Postion der Lenkstange, insbesondere für die Ermittlung der Verrohrungstiefe.
Der Energieaufwand für die Erstellung eines Pfahles setzt sich aus dem benötigten Leistung der Trägermaschine (Seilbagger, Bohrgerät) für das Ausheben des Bohrloches und der benötigten Leistung der VRM zum Einbringen der Verrohrung 100 zusammen. Die Verrohrung 100 wird durch die VRM mittels der Gewichtskraft der Verrohrung 100 und der VRM in Zusammenhang mit einer Drehbewegung eingedreht. Aufgrund von Mantel- und Spitzenreibung ist der Eindrehvorgang der VRM recht energieaufwändig. Die Spitzenreibung wird von der Beschaffenheit des Bodens und der Ausführung der Verrohrung 100 mitbestimmt. Die Mantelreibung entsteht durch die relative Bewegung von Verrohrung 100 zum Boden entlang der Außenflächen der Verrohrung 100. Die Mantelreibung hat zwei Komponenten, erstens die Reibung auf der Außenseite der Verrohrung 100 und zweitens die Reibung auf der Innenseite der Verrohrung 100. Die Reibung auf der Außenseite wird aufgrund der mit steigender Tiefe zunehmenden Kontaktfläche zwischen Verrohrung 100 und Boden mit Fortschritt der Bohrung größer. Die Reibung auf der Innenseite der Verrohrung 100 kann jedoch quasi eliminiert werden, indem der Vorsprung der Verrohrung 100 auf den Fortschritt des Aushubes gering gehalten wird.
Mithilfe des Seilbaggers 1 (Greiferbohren) oder einem Bohrgerät wird das Bohrgut aus der Verrohrung 100 entnommen. Der mit Abstand größte Leistungsbedarfs des Seilbaggers 1 bzw. des Bohrgerätes fällt beim Anheben des Bohrwerkzeuges 3 an.
Dieser Energie- und auch Zeitaufwand steigt mit der Tiefe des Bohrloches aufgrund der größer werdenden Hubhöhe.
Der Leistungsbedarf kann optimiert werden, indem der Energiefluss zwischen Trägermaschine und VRM dynamisch geregelt wird. Die Regelung kann dabei zum Beispiel von der Trägermaschine gesteuert werden. Hierbei ist möglich, dass die Trägermaschine den Energiefluss komplett stoppt, maximiert oder auch stufenlos regelt. Alternativ dazu kann die Trägermaschine über eine Kommunikationsschnittstelle bei der VRM eine Änderung des Leistungsbedarfs der VRM anfordern oder zum Beispiel vorgeben, dass gewisse Arbeitsschritte nicht durchgeführt werden dürfen oder nicht empfohlen werden (besonders zu empfehlen beim Betrieb der VRM mit zusätzlichem Powerpack - Energiequelle).
Eine Optimierung des Prozesses ergibt sich im Hinblick auf folgende Fälle:

Hoher Eigenbedarf
- ∘ Die Trägermaschine erkennt wann für beispielsweise das Heben des Bohrwerkzeuges 3 und des Bohrgutes viel Energie aufgewendet werden muss und reduziert den Energiefluss zur VRM oder stoppt diesen für die benötigte Zeitdauer (komplette Eliminierung von Verlusten in der VRM).
Geringer Eigenbedarf
- ∘ Die Trägermaschine erkennt wann die Energieauslastung für die seitens der Trägermaschine auszuführenden Arbeiten gering ist und erhöht den Energiefluss zur VRM bzw. startet die VRM für die maximal mögliche Zeitdauer.
Ungleicher Fortschritt
- ∘ Eine mögliche Vorgabe aufgrund lokaler Gegebenheiten kann sein, dass etwa die Verrohrung 100 immer ein gewisses Mindestmaß vor der Aushebung des Bohrloches ist. Wenn beispielsweise die Aushebung der Verrohrung 100 vor eilt, so ist es möglich, dass etwa die Verrohrung 100 abstürzt und damit Schäden und Kosten verursacht. Wenn allerdings die Verrohrung 100 zu stark vor eilt, wird die Mantelreibung auf der Innenseite zu groß. Entsprechend sollte der Fortschritt in etwa gleich schnell stattfinden mit einer vorgegebenen Differenz.
- ∘ Erkennt die Trägermaschine 1, dass der Fortschritt der Verrohrung 100 gegenüber dem Aushub zu groß ist, so wird der Energiefluss zur VRM reduziert oder gestoppt, bis der Fortschritt des Aushubes wieder in "Reichweite" der Verrohrung 100 kommt. In Folge steht der Trägermaschine 100 für diesen Zeitraum mehr Leistung zur Verfügung, wodurch der Aushub schneller vorankommt. Darüber hinaus wird der gesamte Leistungsbedarf für das Eindrehen der Verrohrung 100 reduziert, da es durch eine Reduktion des verringerten Vorsprunges der Verrohrung 100 zu einer Reduktion der Mantelreibung kommt.
Ungünstiger Oszillationswinkel
- ∘ Aufgrund der Geometrie einer typischen VRM ergibt sich ein optimaler Wirkungsgrad der Kraftübertragung bei einer bestimmen Stellung der beiden Oszillierzylinder. Bei großen Abweichungen in beide Richtungen nimmt der Wirkungsgrad ab.
- ∘ Beim Wechsel der Drehrichtung kommt die Verrohrung 100 zum Stillstand. Nun müssen die beiden Oszillierzylinder die Haftreibung überwinden, erst dann kommt wieder die geringere Gleitreibung zum Tragen.
- ∘ Ein weiterer Effekt, der hierbei eine Rolle spielt: bei sehr großen Tiefen reduziert sich der effektive Oszillationswinkel an der Front der Verrohrung 100 aufgrund von Verwindung der Verrohrung 100.
- ∘ Aufgrund dieser drei Randbedingungen gibt es also eine Art optimalen, maximalen Oszilierwinkel, der von der Tiefe der Verrohrung 100 abhängt. Um also den Prozess zu optimieren, kann durch eine Messung der Tiefen der Verrohrung und des Aushubes sowie durch eine zusätzliche Messung der Leistungsaufnahme der VRM ein optimaler, maximaler Oszilierwinkel eingestellt werden.
Hohe Bodenfestigkeit
- ∘ Bei schlechtem Vortrieb der VRM kann diese ein weiteres Rohrstück zur Erhöhung des Anpressdruckes bzw. die Bereitstellung von mehr Energie von der Trägermaschine anfordern.

Voraussetzungen

Für die Optimierung bei ungleichem Fortschritt: Tiefenmessung der Verrohrung und Tiefenmessung des Aushubes
Für die Optimierung des Oszillationswinkels: Messung Oszillationswinkel (Drehwinkelsensor in einem der Gelenke der Lenkstange bzw. weniger ideal in einem der Gelenke der Oszillierzylinder)

Vorteile:

Mehr Energie für die zu priorisierende Tätigkeit → Zeitoptimierung
Durch Zeitgewinn weniger Verbrauch (Stichwort Grundlast / Verluste)
Durch Zeitgewinn weniger Betriebsstunden

Anwendungsbeispiele:

Das Aufsetzen eines weiteren Rohrstückes auf die Verrohrung 100 durch die Trägermaschine 1 ist ein langwieriger Prozess, bei dem die Trägermaschine 1 allerdings sehr wenig Energie benötigt. Das Grabwerkzeug 3 wird zur Seite gelegt, ein Rohrstück 100 wird am Seil befestigt, auf die bestehende Verrohrung gesetzt und dann mit der restlichen Verrohrung verriegelt. Speziell während dem ersten Teil dieses Prozesses steht der Verrohrungsmaschine sehr viel Energie zur Verfügung. Folgende Beispiele lassen sich daraus nun ableiten:

Die Verrohrungsmaschine hat gemessen, dass eine Verrohrung 100 eine bestimme Anzahl von Metern unter der Erde ist. Durch die Seillängenmessung des Seilbaggers 1 ist auch die Tiefe des Aushubes bekannt sowie durch einen Abgleich der Seillänge mit der Rohroberkante lässt sich auf die verbleibende Höhe der Verrohrung oberhalb der Verrohrungsmaschine schliessen. Die Verrohrung 100 ist nun beispielsweise 20 Meter unter der Erde, der Aushub 19 Meter, es stehen noch 4 Meter Rohr zum Eindrehen zur Verfügung. Aufgrund der lokalen Begebenheiten muss die Verrohung mindestens einen Meter dem Aushub vor eilen. Entsprechend sollte nun der Prozess des Eindrehens durch die VRM schneller werden, wohingegen der Aushubprozess des Seilbaggers 1 langsamer erfolgen kann. Um nun die Zeit effizient zu nutzen, einigen sich die beiden Maschinensteuerungen darauf, dass der Seilbagger 1 ein weiteres Rohr aufsetzt bzw. dies dem Bediener vorschlägt. In diesem Fall benötigt der Seilbagger 1 wenig Energie, durch die freigewordene Energie kann die VRM schneller vorankommen. Als zusätzlicher positiver Effekt erhöht sich durch das zusätzliche Teilstück das Eigengewicht der Verrohrung und das Eintreiben wird auch hierdurch beschleunigt.

Während dem Heben des Grabwerkzeuges 3 benötigt die Trägermaschine sehr viel Energie, das Oszillieren der VRM benötigt ebenfalls viel Energie. Ein weiteres Anwendungsbeispiel lässt sich daraus ableiten:

Der Seilbagger 1 fährt mit dem Werkzeug 3 in die Verrohrung 100 und gräbt sich unten Material frei. Als nächstes muss der Seilbagger 1 das mit Aushub gefüllte Werkzeug 3 anheben. Dieser Umstand kann im Vorhinein bereits der VRM mitgeteilt werden. Sobald der Seilbagger 1 das Werkzeug 3 anhebt kann die Energiezufuhr zur VRM reduziert werden. Die VRM nutzt diese Zeit für eine energetisch günstigere Arbeit, wie etwa das Anheben der Bodenplatte 201. Sobald das Werkzeug 3 die Rohroberkante erreicht hat, meldet der Seilbagger 1 der VRM, dass der Hub vorbei ist und erhöht entsprechend den Energiefluss zur VRM, wodurch diese nun wieder mit voller Energie die eingespannte Verrohrung drehen kann.
Bei ungünstiger Verteilung der Tiefen (wenn etwa die VRM viel tiefer ist als der Aushub und entsprechend die Mantelreibung an der Innenseite der Verrohrung recht hoch ist) kann im Extremfall die Energiezufuhr zur VRM für die Dauer des Aushubs komplett gestoppt werden.

Die Zeit, die für das Heben des Grabwerkzeuges 3 benötigt wird, steigt mit der Tiefe stetig an. Daraus ergibt sich ein erhöhter Zeitaufwand für das Entfernen einer bestimmten Menge Bohrgut bei großen Tiefen. In Folge schreitet die Arbeit der Trägermaschine 1 bei großen Tiefen langsamer voran. Die Zeit, die die VRM für das Einbringen pro Meter Verrohrung 100 benötigt, steigt jedoch nicht in gleichem Maße mit der Tiefe. Daraus lässt sich ableiten:

Der Seilbagger 1 kommt mit größer werdender Tiefe nur mehr langsam mit dem Aushub voran. Der Vorsprung der Verrohrung 100 steigt dadurch kontinuierlich an. Aufgrund dessen kann der Seilbagger 1 die Energiezufuhr zur VRM drosseln, um mehr Energie für die eigene Tätigkeit zur Verfügung zu haben.
Bei ungünstiger Verteilung der Tiefen (wenn etwa die VRM viel tiefer ist als der Aushub und entsprechend die Mantelreibung an der Innenseite der Verrohrung recht hoch ist) kann im Extremfall die Energiezufuhr zur VRM zeitweise komplett gestoppt werden (siehe Beispiel in Figur 4b).

Konkrete Methode

Zwei verschiedene Verfahren werden parallel durchgeführt:

Prozessoptimierung:
- ∘ Der Bediener der VRM stellt eine minimale Tiefendifferenz D_min ein. Beim gleichzeitigen Verrohren und Ausgraben mittels Greifer 3 darf der Greifer 3 diese minimale Tiefendifferenz nicht unterschreiten (bsp: D_min=40 cm, also muss die Verrohrung 100 immer mindestens 40cm dem Greifer 3 vor eilen). Es gibt kein D_max , die Verrohrung 100 darf dem Greifer 3 beliebig weit voreilen.
- ∘ Es wird nun eine Kostenfunktion U als Funktion der Tiefendifferenz D formuliert mit einem Minimum D₀ > D_min. Siehe hierzu Figur 3. Bei D₀ ist die Energieverteilung R ideal.
- ∘ Ist nun D kleiner als D₀, dann steigt der Leistungsanteil R, den der Seilbagger 1 der VRM zur Verfügung stellt. Das hat zwei Effekte: die VRM bekommt mehr Leistung, dreht damit schneller und vergrößert dadurch D, andererseits hat der Seilbagger 1 weniger Leistung, verringert damit seine Grabgeschwindigkeit, was auch eine Vergrößerung von D zur Folge hat. Sollte D kleiner als D₀ sein und die an die VRM bereitgestellte Energie bereits maximal sein, so muss das Gewicht der Verrohrung zur Erhöhung des Anpressdruckes vergrößert werden, so bspw. durch Aufsetzen eines weiteren Teilrohres.
- ∘ Ist D größer als D₀, dann wird der Leistungsanteil R, den der Seilbagger 1 der VRM zur Verfügung stellt, verringert. Der Leistungsanteil R berechnet sich folglich nach der Formel R = PVRM / P, wobei PVRM der Anteil an der Gesamtleistung P ist, die der VRM zur Verfügung steht aufgrund der Prozessoptimierung.
- ∘ Wenn sich D nahe an D_min annähert, sollte die VRM gestoppt werden.
Optimierung der Maschinenauslastung:
- ∘ Von der obigen Prozessoptimierung wird eingestellt, wie groß der mittlere Anteil der Leistung ist, den der Seilbagger 1 der VRM zur Verfügung stellt. In weiterer Folge wird nun dieser Parameter R mit einem weiteren Parameter R_cyc multipliziert, der den zyklischen Grabprozess des Seilbaggers 1 berücksichtigt. Die Leistungsaufteilung ergibt sich beispielsweise als Q = R × R_cyc. Rcyc ist demzufolge ein Korrektur- bzw. Gewichtungsfaktor des Leistungsanteil der VRM aufgrund der Auslastung des Seilbaggers 1, der üblicherweise im Werteintervall zwischen 0 bis 1 liegt
- ∘ Der Seilbagger 1 benötigt am meisten Leistung während des Grabens und während des Hebens. In dieser Zeit sollte der Seilbagger viel Leistung bekommen, die VRM bekommt während diesem Zeitraum eine geringere Leistung. R_cyc wird also < 1 sein, bis zu einem extremen Fall R_cyc = 0 (VRM bekommt gar keine Leistung mehr).
- ∘ Der Seilbagger 1 benötigt eine geringe Leistung während des Entleerens des Greifers 3 und während dem Absenken des Greifers 3 in das Bohrloch. In dieser Zeit kann die VRM einen größeren Leistungsanteil erhalten ohne den Prozess zu verlangsamen, entsprechend wird ein R_cyc ~ 1 gewählt.
- ∘ Ein energetisch optimaler Zustand liegt dann vor, wenn der Abstand zwischen den Linien der Figuren 4a, 4b minimal ist.

Claims

Verfahren zur Leistungsverwaltung bei der Pfahlgründung mit einer Trägermaschine (1) zum Ausheben eines Bohrloches und einem an der Trägermaschine (1) montierten Anbaugerät zum zeitgleichen Einbringen einer Verrohrung (100) in den Boden, wobei die Energieversorgung für das Anbaugerät zumindest teilweise durch die Trägermaschine (1) bereitgestellt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuerung der Trägermaschine (1) den Energiefluss zwischen der Trägermaschine (1) und dem Anbaugerät zur hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Energieversorgung des Anbaugerätes verteilt, wobei eine dynamische Regelung des Energieflusses unter Berücksichtigung des aktuellen Leistungsbedarfs der Trägermaschine (1) und/oder des Anbaugerätes erfolgt, um die Auslastung und Effektivität der Trägermaschine und des Anbaugerätes zu optimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiefluss zum Anbaugerät begrenzt oder vollständig gestoppt wird, wobei eine Begrenzung stufenartig oder stufenlos erfolgen kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Trägermaschine (1) eine Anforderung zur Lesitungsreduzierung an das Anbaugerät über eine Kommunikationsschnittstelle übermittelt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anforderung eine Anweisung zu auszuführenden Arbeitsschritten des Anbaugerätes enthält, insbesondere eine Vorgabe und/oder Empfehlung bezüglich auszuführender und/oder nicht auszuführender Arbeitsschritte.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der dynamischen Regelung des Energieflusses die Prozessdauer für Arbeitsschritte des Anbaugerätes und/oder der Trägermaschine (1) aktiv gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefendifferenz zwischen der Tiefe des Erdaushubes und der Verrohungstiefe für die dynamische Regelung berücksichtigt wird, wobei durch die dynamische Regelung des Energieflusses vorzugsweise die Tiefendifferenz oberhalb und/oder unterhalb eines unteren und/oder oberen Grenzwertes gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiefluss zum Anbaugerät gedrosselt wird, sofern die Verrohrungstiefe um mindestens einen Grenzbetrag größer ist als die Aushubtiefe und/oder der Energiefluss zum Anbaugerät vergrößert bzw. maximiert wird, sofern die Aushubtiefe um mindestens einen Grenzbetrag größer ist als die Verrohrungstiefe.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kostenfunktion U als Funktion der Tiefendifferenz definiert ist, die in Abhängigkeit der Tiefendifferenz den an das Anbaugerät abzugebenden mittleren Leistungsanteil definiert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiefluss zum Anbaugerät auf Grundlage des mittleren Leistungsanteils unter weiterer Berücksichtigung des zyklischen Grabprozess der Trägermaschine (1) dynamisch eingestellt wird, insbesondere durch Multiplikation des mittleren Leistungswertes mit einem Gewichtungsparameter, der den aktuellen Prozessschritt während eines zyklischen Grabprozesses kennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsparameter während des Grabens und Hebens des Grabwerkzeuges (3) kleiner und während des Senkens und Entleeren des Grabwerkzeuges (3) größer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbaugerät unter Berücksichtigung der aktuellen Leistungsaufnahme des Anbaugerätes und/oder in Abhängigkeit der Verrohrungstiefe und/oder Aushubtiefe den Oszillationswinkel des als Verrohrungsmaschine ausgeführten Anbaugerätes einstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbaugerät die Vorschubgeschwindigkeit der Verrohrung (100) erfasst, insbesondere unter Berücksichtigung der zeitlichen Tiefenänderung der Verrohrung (100), und basierend darauf eine Erhöhung des Energieflusses von der Trägermaschine (1) zum Anbaugerät über die Kommunikationsschnittstelle anfragt und/oder einen Arbeitsprozess zum Aufsetzen eines weiteren Rohres auf die Verrohrung einleitet.
System zur Pfahlgründung bestehend aus einer Trägermaschine (1), insbesondere einem Seilbagger oder Bohrgerät, und wenigstens einem Anbaugerät, vorzugsweise einer Verrohrungs- oder Rohrdrehmaschine, wobei die Trägermaschine wenigstens eine Steuerung umfasst und die Steuerung ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.