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Dokumentenidentifikation DE102005034377A1 16.03.2006
Titel Direkte Stabilitätserfassung
Anmelder Vishay Measurements Group GmbH, 74078 Heilbronn, DE
Erfinder Neumann, Eli, Nentanya, IL
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 22.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005034377
Offenlegungstag 16.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.03.2006
IPC-Hauptklasse B66C 23/90(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein System zur direkten Stabilitätserfassung für mobile Kräne und anderen Arten von Maschinen, bei denen Ausleger-Stützarme verwendet werden. In den Stützarmen sind jeweils Kraftmesszellen installiert, die die Kräfte auf die jeweiligen Stützarme messen. Anhand der Messwerte der Kraftmesszellen wird ein Zustand bestimmt, der das Risiko eines Umkippens oder Zusammenbrechens des Kranes birgt, und ggf. eine Warnung ausgegeben oder eine Korrekturmaßnahme eingeleitet.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Sicherheitssysteme für Kräne und Hubvorrichtungen. Im Besonderen betrifft sie Lastmomentanzeigen und eine Belastungserfassung zum Zwecke, ein Umfallen oder Zusammenbrechen von Kränen und anderen Hubeinrichtungen zu verhindern.

Große mobile Kräne laufen Gefahr, umzukippen, wenn das durch die Last erzeugte Moment größer ist als das selbststabilisierende Moment. Um derartigen Gefahren entgegenzuwirken, werden verschiedene Sicherheitssysteme angewandt, von denen viele als "Lastmomentanzeigen" (LMI von Load Moment Indicators) bezeichnet werden. Diese Systeme bestimmen das destabilisierende Moment durch Erfassen oder Abschätzen des Hebelarms und anschließende Multiplikation mit der Last. Der Hebelarm wird gefunden, indem die Ausdehnung des Kranauslegers und sein Elevationswinkel gemessen werden und anschließend eine einfache geometrische Berechnung vorgenommen wird, zu der jeder Fachmann in der Lage ist. Dieser Hebelarm wird dann mit der Last multipliziert, um das Lastmoment zu erhalten. Die Last wird wiederum zumeist durch Messen des Drucks in dem Hubzylinder abgeschätzt. Manchmal wird sie durch Kraftmesszellen, die in einer Linie mit der Last angeordnet sind, oder durch die Spannung in dem Hubseil direkt gemessen.

Lastmomentanzeigen haben gewisse Schwächen. So ist zunächst die Genauigkeit des berechneten Lastmoments nicht sehr hoch. Dies kommt daher, weil der Zylinderdruck eine ungenaue Angabe der Last darstellt. Bei bestimmten Kranauslegerwinkeln verschlechtert sich diese Genauigkeit weiter. Ein weiteres Problem ist das stabilisierende Moment, das sich mit der Orientierung des Kranauslegers ändert und daher die Stabilität der Maschine beeinflusst. Diese Tatsache wird bei den existierenden Lastmomentanzeigesystemen nicht berücksichtigt. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Stabilitätserfassung und Warnung bereitzustellen, das genauer ist, einen direkten Messwert der tatsächlichen Stabilitätsgrenze aufweist, das die Fähigkeit besitzt, auch die Last zu messen, und das kostengünstig ist.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Mittel zum direkten Erfassen der Stabilität durch Messen der Last an einem jeden von vier Ausleger-Stützarmen bereit. Eine Kraftmesszelle ist in jedem der Auslegerarme installiert. Die Kraftmesszelle ist zusammen mit einem drahtlosen Sender/Empfänger und einer Spannungsversorgungsbatterie oder einem anderen Mittel zur Spannungsversorgung gepackt. Wenn die Stützarme auf den Boden abgesenkt werden, um den Hubvorgang zu starten, beginnen die Kraftmesszellen, schließlich mehr und mehr Last abzustützen, bis die vier Kraftmesszellen gemeinsam das gesamte Gewicht der Maschine tragen und sich alle Fahrzeugräder in der Luft befinden und keinen Teil der Maschinenlast tragen. Die vier Kraftmesszellen erfassen dementsprechend in dem Verlauf mehr und mehr Last, bis ihr Gesamtmesswert der der gesamten Maschinenlast ist. Wenn nun eine Nutzlast angehoben wird, werden die vier Kraftmesszellen die zusätzliche Last teilen, und die Summe der Werte ihrer Ausgangsgrößen ist die Totallast – nämlich die Maschine plus die Nutzlast.

Es ist nun ein physikalisches Grundgesetz, dass, falls und wenn ein Kran beginnt, seine Stabilität zu verlieren, zwei angrenzende Stützarme – und zwar beliebige zwei – abnehmende Lastmesswerte sehen werden. Der Punkt, an dem diese beiden Arme eine Last von Null sehen werden, ist der Stabilitätsgrenzwert. Somit kann vor diesem Punkt eine Warnung mit einer ausreichenden Sicherheitsgrenze ausgegeben werden, um das Anhalten und das Abwenden der Gefahr zu ermöglichen.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Systems, das mit einem erfindungsgemäßen Stabilitätssystem ausgerüstet ist, das auf einen mobilen Kran angewandt wird.

Nach 1, die die vorliegende Erfindung auf einen mobilen Kran 1 angewandt darstellt, besteht der Kran aus einer Lkw-Karosserie 10, einem Drehturm 2, einem ausfahrbaren Kranausleger 3, entfaltbaren Ausleger-Stützarmen 6, einer Anzahl von Rädern und Achsen 4, die von einem Motor angetrieben sind, und weiteren Lkw-Teilen, die hier nicht gezeigt sind, einer Anzeige/einem Controller für das Sicherheits- und Stabilitätssystem 13, und allen anderen Teilen, die für den Betrieb eines mobilen Krans notwendig, dem Fachmann bekannt und hier nicht gezeigt sind.

Die Stützarme 6, vier insgesamt, bestehen jeweils aus horizontal ausfahrbaren Kolbenstangen 5, vertikalen Hydraulikzylindern 9, vertikalen Kolbenstangen 12, Kraftmesszellen 7 vom In-Line-Kompressionskrafttyp oder einem andern Typ und Füßen 8 mit einer Bodenauflagefläche, die groß genug ist, um die gesamte Last zu tragen und sie auf einen flachen oder unebenen Grund weiterzuleiten. Die Kolbenstangen 12 fahren, wenn sie durch einen aufgebrachten Druck in dem Zylinder 9 herausgeschoben werden, vertikal nach unten aus, und die Auslegerarme 6 beginnen, allmählich mehr Last aufzunehmen und die Maschine von ihren Rädern anzuheben. Am Ende eines derartigen Vorgangs ruht das gesamte Gewicht des Lkw auf den Stützarmen, und kein Rad des Lkw berührt mehr den Boden. Es wird von staatlichen Sicherheitsbehörden verlangt, dass mobile Kräne Lasten nur dann anheben dürfen, wenn sie eine Abstützung durch die vier Auslegerarme erreicht haben, wie es oben beschrieben wurde.

Es ist nun ein physikalisches Grundprinzip, dass jede Struktur mit vier Stützen, die den Boden berühren, umkippen kann, falls und wenn irgendwelche zwei angrenzenden Arme die Bodenreaktionskraft auf das Gewicht der Struktur verlieren oder nicht besitzen, wobei in dieser Situation die Linie, die die gegenüberliegenden beiden Stützarme verbindet, der Drehpunkt für das Kippereignis ist. Ein Stabilitätsgrenzwert liegt vor, wenn die beiden Reaktionskraftwirkungen abnehmen und zu Null werden. Dies kann als das Prinzip für das System zur Stabilitätserfassung genutzt werden. Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und ein Mittel zum kontinuierlichen Überwachen von Reaktionskräften in einem jeden der vier Stützarme und zum Informieren oder Warnen des Bedieners, falls und wenn zwei angrenzende Arme keine Reaktionskräfte mehr erfahren oder unter einem vorbestimmten Grenzwert derselben Lastreaktionskraft liegen. Es ist anzumerken, dass die Verwendung eines Reaktionskraftverlustes in Stützarmen zur Feststellung von Instabilität in der Vergangenheit bekannt war und an sich nicht neu ist. Patent Nummer 6,655,219 beschreibt ein System auf der Grundlage eines ähnlichen Prinzips, abgesehen davon, dass es eine andere Konstruktion für die Erfassung für die einzelnen, auf jeden Stützarm wirkenden Reaktionskräfte schildert.

Bei der vorliegenden Erfindung sind die Vorrichtungen zum Erfassen einer Reaktionskraft Kraftmesszelleneinheiten 7, die in den Stützfüßen 6 installiert sind. In der hier beschriebenen besonderen Ausführung sind die Kraftmesszellen zwischen Kolbenstangen 12 und Stützfüßen 8 installiert, aber es sind andere Ausführungen möglich, wie etwa die Platzierung der Kraftmesszellen zwischen den Zylindern 9 und den horizontalen Elementen 5 usw. In der bevorzugten Ausführung bestehen die Kraftmesszelleneinheiten 7 aus einem Belastungserfassungselement vom Kompressionstyp, einem Batteriepaket für die Energieversorgung, einem elektronischen Schaltkreis zum Verstärken, Filtern, Digitalisieren und Verarbeiten des Ausgangs von der Kraftmesszelle und einem drahtlosen Sende-/Empfangsschaltkreis, der eine Antenne umfasst, die die Lastmessergebnisse an eine Anzeige oder Steuereinheit 13 sendet, aber auch Kommandos von derselben Anzeige/Controllereinheit 13 empfangen kann, die wiederum üblicherweise in der Kabine des Lkws eingebaut ist.

Da der elektronische Schaltkreis in jeder Zelle batteriebetrieben ist, werden Energiesparschemata verwendet, etwa welche, die einen Ruhemodus aufweisen, in dem sehr wenig Energie verbraucht wird und periodisch nur auf die Lasten geprüft wird, wobei das Aufwachen aus dem Ruhemodus entweder durch eine Änderung der Lastmesswerte oder durch eine Abfrage von der Anzeige/Controllereinheit 13 ausgelöst wird.

Eine unterschiedliche Ausführung der Energieversorgung kann durch eine fotovoltaische Zelleneinheit zum Aufladen der Batterien unterstützt werden, wodurch die Nutzungsdauer des Systems ausgedehnt wird.

Die Anzeige/Controllereinheit 13 ist mit Schaltkreisen zum Empfang der drahtlosen Übertragungen von den vier Kraftmesszellen und zum Überprüfen der Vertrauenswürdigkeit der gleichen Übertragungen ausgestattet. Zusätzlich verarbeitet der Schaltkreis in der Anzeige/dem Controller 13 die Messwerte der Kraftmesszellen, um den gegenwärtigen Stabilitätszustand zu bestimmen, und gibt auch Vorhersagen dafür aus, was geschehen kann, wenn Tendenzen andauern. Ergebnisse einer derartigen Informationsverarbeitung werden dann in der Form eines Balkengraphen, Ziffern, Sprach- oder Tonwarnungen ausgegeben, so dass der Bediener sich leicht der Sicherheits- und Stabilitätssituation bewusst werden kann. Die Anzeige/der Controller 13 sind auch ausgerüstet, um Anforderungen oder Kommandos an den einzelnen Schaltkreis in jeder Kraftmesszelle zu senden, beispielsweise um eine Datenübertragung von der Kraftmesszelle auszulösen oder um zu bewirken, dass sie aus einem Ruhemodus aufwacht.

Die Anzeige/der Controller 13 kann auch zur Steuerung von Maschinenelementen ausgestattet sein, falls und wenn eine Korrektur- oder Schutzmaßnahme infolge der gemessenen Stabilität erforderlich ist. Ein Beispiel dafür, dass die Anzeige/der Controller jede weitere Bewegung in einer bestimmten Richtung verhindert, ist, falls die Stabilität sich zu sehr in einem Grenzbereich befindet. Um dies vorzunehmen, müssen Relais, Schalter oder andere Steuereinrichtungen in der Anzeige/den Controller sowie geeignete Software eingebaut sein. Die Anzeige/der Controller 13 muss gewöhnlich nicht batteriebetrieben sein, da sie bzw. er in der Kabine eingebaut ist und die elektrische Versorgung der Maschine nutzen kann.

Eine zusätzliche Funktion der vorliegenden Erfindung ist, die Totalmaschinenlast und die Nettonutzlast zu messen. Die Totallast wird berechnet, indem die vier individuellen Lasten an den vier Kraftmesszellen summiert werden. Die Totallast der Maschine vor dem Heben irgendeiner Nutzlast, die manchmal als Totlast bezeichnet wird, kann aufgezeichnet und in einem Speicher gespeichert werden. Um die Nettonutzlast zu berechnen, wird die zuvor erwähnte Totlast von der Totallast subtrahiert. Diese Nutzlastinformation ist als zusätzliches Sicherheitsmerkmal zweckmäßig, beispielsweise um Grenzen für die konstruktive Sicherheit des Krans festzusetzen, oder als ein besserer Eingang für die Lastmomentanzeigen von der herkömmlichen Art, falls dies als Sicherungssystem erwünscht wird.

Es ist anzumerken, dass die erfindungsgemäße Stabilitätserfassung direkt ist und nicht auf der Notwendigkeit beruht, das stabilisierende Moment zu berechnen, das, wie es bereits erwähnt wurde, variabel ist und von der Orientierung des Turms und des Auslegerarms abhängt. Ein weiteres Problem bei der Verwendung eines stabilisierenden Moments bei Lastmessanzeigen ist die Tatsache, dass es berechnet werden muss und daher nicht genau ist. Abwandlungen der Maschine, die den Wert des stabilisierenden Moments verändern, werden nicht immer aufgezeichnet und berücksichtigt. Wenn die Maschine nicht eben steht, weisen sowohl das stabilisierende Moment als auch das gemessene/berechnete Lastmoment einen gewissen Fehler auf.

Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein System zur direkten Stabilitätserfassung für mobile Kräne und andere Arten von Maschinen, bei denen Ausleger-Stützarme verwendet werden. In den Stützarmen sind jeweils Kraftmesszellen installiert, die die Kräfte auf die jeweiligen Stützarme messen. Anhand der Messwerte der Kraftmesszellen wird ein Zustand bestimmt, der das Risiko eines Umkippens oder Zusammenbrechens des Kranes birgt, und ggf. eine Warnung ausgegeben oder eine Korrekturmaßnahme eingeleitet.


Anspruch[de]
  1. System zur direkten Stabilitätserfassung für mobile Kräne und andere Arten von Maschinen, bei denen Ausleger-Stützarme verwendet werden,

    gekennzeichnet durch

    Kraftmesszellen, die in den Stützarmen installiert und in der Lage sind, jeweils die Vertikalbelastungen oder Kräfte auf die jeweiligen Stützarme, in denen sie installiert sind, zu messen,

    wobei in vier Stützarmen insgesamt vier Kraftmesszellen vorgesehen sind,

    zumindest einen elektronischen Schaltkreis für jeden der Stützarme zum Zwecke der Verstärkung, Filterung, Verarbeitung und Digitalisierung der Werte der Ausgangsgrößen der Kraftmesszellen sowie drahtlosen Übertragung dieser verarbeiteten Ergebnisse zu einer zentralen Anzeige/Steuereinheit,

    wobei diese Schaltkreise entweder innerhalb des Kraftmesszellengehäuses oder in einem separaten Gehäuse benachbart der zugehörigen Kraftmesszelle angeordnet und in geeigneter Weise elektrisch mit der jeweiligen Kraftmesszelle verbunden sind,

    wobei ferner jeder dieser Schaltkreise zusätzlich Funktionen von drahtlosen Empfängern aufweist, so dass sie derart gesteuert werden können, dass Daten oder Signale zur Überführung von einem Ruhemodus in einen Betriebsmodus übertragen werden können, wenigstens eine Batterie zur Spannungsversorgung einer jeden Kraftmesszelle und eines jeden elektronischen Schaltkreises, die entweder in dem Gehäuse der Kraftmesszellen oder dem Gehäuse der Schaltkreise oder separat in einem eigenen Gehäuse untergebracht ist,

    wobei die Batterie oder die Batterien in geeigneter Weise durch Drähte mit den jeweiligen Schaltkreisen verbunden ist bzw. sind, eine zentrale elektronische Anzeige/Steuereinheit, die so gestaltet ist, dass sie innerhalb der Kabine der betreffenden Maschine oder des betreffenden Kranes installierbar und so ausgebildet ist, dass sie drahtlose Übertragungen von den vier Kraftmesszellen empfangen und die Stabilität berechnen kann, indem Zustände und Trends der individuellen vier Belastungen ermittelt werden, die jeweils in den verschiedenen Stützarmen erfasst werden,

    wobei nach einem Zustand gesucht wird, bei dem eine Verringerung der Last an beliebigen zwei aneinandergrenzenden Armen auftritt und dieser Zustand ein Kriterium für verringerte Stabilität ist, wobei ferner die Anzeige/Steuereinheit ausgebildet ist,

    um die berechneten Stabilitätsmaße mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen,

    um die Stabilität oder Stabilitätsgrenzen in Form von Zahlen, Kennzeichen oder Balkengraphen und/oder Tönen und Alarmen anzuzeigen oder zu signalisieren,

    um aufzuzeichnen und in einem Speicher zu speichern die Gesamtbelastung an allen vier Stützarmen bevor eine Nutzlast angehoben wird,

    wobei die anfängliche Totallast als Totlast bezeichnet wird, und um ferner zu berechnen die Totallast und die Total-Nutzlast durch Addition dieser vier individuellen Belastungen, um die Totallast zu erhalten und dann durch Subtrahieren von der Totallast den Wert der Totlast in der Weise zu bestimmen, dass das Ergebnis der Subtraktion als momentane Nutzlast zu bezeichnen ist, welche ihrerseits mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen wird, um die Totallast und/oder die Nutzlast anzuzeigen und zu entscheiden, ob sie zu groß oder nicht zu groß ist, und,

    wenn erforderlich, eine Warnanzeige oder Zeichen oder Alarme auszugeben und ferner Steuerkommandos zur Beeinflussung von Maschinenfunktionen entsprechend der gemessenen Stabilität, Totallast und totaler Nutzlast zu liefern.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesszelle vom Kompressionskrafttyp ist.
  3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesszelle vom Schichtkrafttyp ist.
  4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesszelle vom Scherkrafttyp ist.
  5. System nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung eine elektrische Batterie ist.
  6. System nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung ein fotovoltaisches Paneel mit Ladebatterie ist, wobei das fotovoltaische Paneel die Batterie immer dann auflädt, wenn das Paneel ausreichend beleuchtet ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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