DE102015104148A1

DE102015104148A1 - Drehkran und Verfahren zum Ausrichten eines Drehkrans

Info

Publication number: DE102015104148A1
Application number: DE102015104148.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Haase
Original assignee: Gbf Ges fur Bemessungsforschung Mbh; Gbf Gesellschaft fur Bemessungsforschung Mbh
Current assignee: Gbf Ges fur Bemessungsforschung Mbh; Gbf Gesellschaft fur Bemessungsforschung Mbh
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2016-09-22
Also published as: CA2980245A1; US10669135B2; CN107922173A; AU2016232122A1; EP3271282A1; AU2016232122B2; EP3271282B1; CN107922173B; US20180065835A1; WO2016146827A1

Abstract

Offenbart ist zunächst ein Drehkran (1) mit einer vertikal verlaufenden Hochachse (5), einem von der Hochachse (5) ausladenden Ausleger (8), einem Antrieb zum Drehen des Auslegers (8) um die Hochachse (5), und einer Zustandsüberwachung, die eine Windbeanspruchung des Drehkrans (1) bestimmt. Offenbart ist darüber hinaus ein Verfahren zum Ausrichten eines solchen Drehkrans (1). Um die Ausrichtung des Auslegers (8) am außer Betrieb gesetzten Drehkran (1) zu verbessern wird vorgeschlagen, dass aus der Windbeanspruchung eine bevorzugte Richtung zum Feststellen des Auslegers (8) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft zunächst einen Drehkran mit einer vertikal verlaufenden Hochachse, einem von der Hochachse ausladenden Ausleger, einem Antrieb zum Drehen des Auslegers um die Hochachse, und einer Zustandsüberwachung, die eine Windbeanspruchung des Drehkrans bestimmt. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Ausrichten eines solchen Drehkrans.
Die Windbeanspruchung und damit die Standsicherheit eines Drehkrans hängt wesentlich von der Anströmung des Auslegers, also von dessen Ausrichtung zum Wind ab. Für die Auslegung eines Drehkrans im Betrieb wird unabhängig von der Ausrichtung des Auslegers zum Wind die Windbeanspruchung (im Sinne der EN 1990) und die Auslastung als Quotient aus Windbeanspruchung und Bauteilswiderstand berechnet. Oberhalb einer maximalen Windgeschwindigkeit v_smax, bei der in irgendeiner Ausrichtung die berechnete Auslastung einen zulässigen Wert überschreitet, wird der Betrieb des Drehkrans eingestellt.
Drehkrane und Verfahren der einleitend genannten Art sind allgemein bekannt. Bei Überschreiten der maximalen Windgeschwindigkeit wird der Drehkran „windfrei gestellt“ – die Bremse am Drehkranz wird gelöst – damit sich der Ausleger selbständig wie eine Wetterfahne im Wind derart ausrichtet, dass die Windbeanspruchung minimiert ist. Die unfallträchtige Rotation des Auslegers um die Hochachse (sog. „Autorotation“) insbesondere bei gestörter Anströmung – beispielsweise in Großbaustellen – soll gemäß EP 2 025 637 A1 vermieden werden, indem der Drehkranz nicht vollständig gelöst wird, sondern ein definiertes Bremsmoment die Drehgeschwindigkeit des Auslegers vermindert.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausrichtung des Auslegers am außer Betrieb gesetzten Drehkran zu verbessern.
Lösung
Ausgehend von dem bekannten Drehkran wird nach der Erfindung vorgeschlagen, eine Recheneinheit vorzusehen, die aus der Windbeanspruchung eine bevorzugte Richtung zum Feststellen des Auslegers berechnet. Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass das Phänomen der Autorotation bei gestörter Anströmung des Drehkrans auf eine von der Windrichtung abweichende Richtung minimaler Windbeanspruchung zurückgeht – und dass diese Abweichung auch bei Vermeidung von Autorotation die Standsicherheit des außer Betrieb gesetzten Drehkrans empfindlich beeinträchtigen kann. Das Berechnen einer bevorzugten Richtung mit minimaler Windbeanspruchung in der Recheneinheit ermöglicht das Feststellen des Auslegers in dieser Richtung.
Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßer Drehkran eine Signaleinheit auf, die dem Antrieb ein Signal zum Feststellen des Auslegers in der bevorzugten Richtung übermittelt. Die Verbindung von Recheneinheit und Antrieb über die Signaleinheit ermöglicht in einem solchen erfindungsgemäßen Drehkran die automatische Ausrichtung des Auslegers. Alternativ kann der windfrei gestellte Ausleger in der bevorzugten Richtung festgestellt werden, wenn er sich zufällig in dieser Richtung befindet. Weiter alternativ kann der Ausleger manuell mittels des Antriebs in die bevorzugte Richtung gedreht werden.
Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßer Drehkran eine Feststellbremse auf, zum Feststellen des Auslegers in der bevorzugten Richtung. Feststellbremsen an Drehkränzen sind allgemein bekannt und können besonders einfach zum erfindungsgemäßen Feststellen in der bevorzugten Richtung eingesetzt werden. Alternativ kann in einem erfindungsgemäßen Drehkran der Antrieb derart angesteuert werden, dass der Ausleger in der bevorzugten Richtung verharrt.
Ausgehend von dem bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass aus der Windbeanspruchung eine bevorzugte Richtung zum Feststellen des Auslegers berechnet wird. Vorteilhafter Weise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren der Ausleger motorisch in die bevorzugte Richtung gedreht. Diese erfindungsgemäßen Verfahren werden insbesondere mit einem der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Drehkräne ausgeführt und zeichnen sich gleichermaßen durch die dort aufgeführten Vorteile aus.
In einer vorteilhaften Ausprägung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Windrichtung überwacht und in der Berechnung der bevorzugten Richtung berücksichtigt. Eine einzelne, an einer Position am Drehkran oder in dessen unmittelbarer Umgebung gemessene Windrichtung stellt in aller Regel bereits eine gute erste Näherung der Richtung mit minimaler Windbeanspruchung dar. Die Näherung wird umso besser, je mehr Messungen der Windrichtung und -stärke an unterschiedlichen Positionen vorliegen und mit ihrem jeweiligen Anteil an der Windbeanspruchung in die überwachte Windrichtung eingehen.
Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Windbeanspruchung über der Anströmrichtung des Auslegers gespeichert und abhängig von der Windrichtung diejenige Richtung des Auslegers als bevorzugte Richtung ausgewählt, in der die Windbeanspruchung minimal ist. Die Speicherung in verschiedenen Richtungen des Auslegers ermöglicht durch Vergleich besonders einfach die Bestimmung der Anströmrichtung – und damit der Richtung des Auslegers – in der die Windbeanspruchung minimal ist. Die Messwerte können zunächst in vorgegebenen Gradschritten (beispielsweise 10°) nach einer Schätzung gespeichert und sukzessive durch Messwerte und ggf. Unterstützung eines Expertensystems verifiziert und verfeinert werden.
Bevorzugt wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren ein Drehsinn des Auslegers derart ausgewählt, dass beim Drehen des Auslegers in die bevorzugte Richtung die maximale Windbeanspruchung minimal ist. Die Speicherung in allen Richtungen des Auslegers ermöglicht durch Vergleich besonders einfach auch die Bestimmung des Drehsinns, in der die maximale Windbeanspruchung minimal ist.
Vorteilhafter Weise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Auslastung des Drehkrans überwacht und in der Berechnung der bevorzugten Richtung berücksichtigt. In einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren kann besonders einfach die Auslegung des Drehkrans verifiziert werden.
Der erfindungsgemäße Drehkran kann insbesondere ein oben- oder untendrehender Turmdrehkran mit Katz- oder Nadelausleger sowie auf einem festen Fundament oder auf Schienen sein.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Drehkrans,
2a die Auslastung des Drehkrans bei ungestörter Anströmung und
2b die tatsächliche Auslastung in einer Baustelle.
Der in 1 gezeigte erfindungsgemäße Drehkran 1 – ein obendrehender Turmdrehkran – weist ein betoniertes Fundament 2, einen darin verdrehfest fundamentierten Turm 3 und einen über einen Drehkranz 4 auf dem Turm 3 um eine Hochachse 5 drehbar gelagerten Oberkran 6 auf.
Der Oberkran 6 weist eine Kabine 7 für das Bedienpersonal des Drehkrans 1 im Betrieb, und über der Kabine 7 einen Ausleger 8 (hier: einen Katzausleger) zum Tragen einer nicht dargestellten Last sowie einen Gegenausleger 9 mit Ballast 10 auf. Der Ausleger 8 und der Gegenausleger 9 sind über eine in der Hochachse 5 angeordnete Turmspitze 11 mit Zuggliedern 12 abgefangen.
Auf dem Ausleger 8, auf dem Gegenausleger 9 und auf der Turmspitze 11 sind drei kombinierte Windmesser 13 zur jeweils lokalen Messung der Windgeschwindigkeit („Anemometer“) und der Windrichtung (bisweilen als „Anemoskop“ bezeichnet), oben und unten am Turm 3 Dehnungsmesser 14 sowie an drei Stellen in gleichmäßigem Abstand 15 vom Fundament 2 bis zur Kabine 7 Beschleunigungsaufnehmer 16 angebracht.
Unten auf dem Fundament 2 befindet sich eine nicht dargestellte Steuereinrichtung für den Drehkran 1 mit einer Zustandsüberwachung („condition monitoring“). Die Zustandsüberwachung nimmt die Messwerte der Dehnungsmesser 14 und der Beschleunigungsaufnehmer 16 auf und bestimmt daraus Schnittgrößen, Spannungen und Dehnungen sowie Querkräfte, Kipp- und Torsionsmomente, die als Beanspruchung (im Sinne der EN 1990) des Drehkrans 1 zusammengefasst werden.
Die Zustandsüberwachung bestimmt weiterhin aus der Beanspruchung den Anteil der Windbeanspruchung, indem sie den (aus Auslegerposition, Hakenlast und Katz- bzw. Nadelposition) bekannten Einfluss der am Ausleger 8 hängenden Last herausrechnet und speichert kontinuierlich die Windbeanspruchung in Abhängigkeit von einer aus den gemessenen Windrichtungen arithmetisch gemittelten Windrichtung.
Der Drehkran 1 ist zur Aufstellung in einer (nicht weiter dargestellten) Baustelle unter der Annahme freier Anströmung in der lokalen meteorologischen Hauptwindrichtung ausgelegt. 2a zeigt aus der Auslegung zunächst qualitativ den sinusförmigen Verlauf des auf den Oberkran 6 wirkenden Drehmoments 17 um die Hochachse 5 über dem Anstellwinkel 18 des Auslegers 8 gegen eine nicht dargestellte Längsachse des Fundaments 2. Der Winkelversatz 19 des Drehmoments 17 entspricht einer durch die Baustelle bedingte Anstellung der Längsachse des Fundaments 2 von etwa 45 ° gegen den Uhrzeigersinn zur Hauptwindrichtung.
Im ersten Nulldurchgang 20 des Drehmoments 17 liegt der Ausleger 8 im Wind. Der Drehkran 1 ist in dieser Lage momentenfrei, also (in Bezug auf die Windbeanspruchung) im Gleichgewicht. Das Gleichgewicht ist stabil, weil bei jeder Drehung des Oberkrans 6 aus dieser Lage heraus die Windkräfte ein der Drehung entgegenwirkendes Drehmoment 17 erzeugen.
Bei weiterer Drehung des Oberkrans 6 gegen den Uhrzeigersinn und Steigerung des Anstellwinkels um bis zu 90 ° erzeugt der Wind ein ansteigendes Drehmoment 17 mit negativen Vorzeichen (also der Drehrichtung entgegen), das betragsmäßig sein Maximum 21 erreicht, wenn der Ausleger 8 quer zum Wind steht. Bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn sinkt das Drehmoment 17 bis zum zweiten Nulldurchgang 22 ab, in dem der Ausleger 8 gegen den Wind weist. Auch in dieser Lage befindet sich der Drehkran 1 im Momentengleichgewicht, das Gleichgewicht ist aber labil, weil bei jeder Drehung aus dieser Lage heraus die Windkräfte ein die Drehung unterstützendes Drehmoment 17 erzeugen.
Die weitere Drehung gegen den Uhrzeigersinn ergibt ein wieder ansteigendes Drehmoment 17 mit positiven Vorzeichen (also die Drehung unterstützend) bis zum zweiten Maximum 23, wenn der Ausleger 8 wieder quer zum Wind steht.
2a zeigt darüber hinaus aus der Auslegung den qualitativen Verlauf der Auslastung 24 des Drehkrans 1 bezogen auf ein durch die Windbelastung erzeugtes Kippmoment am Kranfuß: Die Auslastung 24 steigt von einem absoluten Minimum 25 im ersten Nulldurchgang 20 des Drehmoments 17 – also wenn der Ausleger 8 im Wind liegt – bei Drehung über die Position quer zum Wind hinaus auf ein Maximum 26 an und sinkt bis zur Ausrichtung des Auslegers 8 gegen den Wind auf ein lokales Minimum 27 ab. Wird der Ausleger 8 weiter gegen den Uhrzeigersinn verdreht, verläuft die Auslastung 24 bis zum absoluten Minimum 25 spiegelbildlich.
2b zeigt beispielhaft für dieselbe Windrichtung die auf Grundlage von Messungen auf der Baustelle von der Zustandsüberwachung bestimmten Verläufe von Drehmoment 28 und Auslastung 29, die durch ein in der Hauptwindrichtung seitlich vor dem Drehkran 1 stehendes Gebäude mit rechteckigem Grundriss deutlich verzerrt sind: Beim absoluten Minimum 30 der Auslastung 29 liegt zwar eine Nullstelle 31 des Drehmoments 28 – also ein Gleichgewicht – vor, dieses Gleichgewicht ist aber labil.
Bei geringfügiger zufälliger Auslenkung des Oberkrans 6 gegen den Uhrzeigersinn (also mit steigendem Anstellwinkel 32) wird diese Drehung durch ein geringes positives Drehmoment 28 bis zu einem ersten Nulldurchgang 33 des Drehmoments 28 unterstützt. In dieser Lage befindet sich nun der Drehkran 1 zwar in einem stabilen Gleichgewicht, ist aber gegenüber dem Minimum 30 um mehr als das Doppelte höher belastet.
Bei geringfügiger zufälliger Auslenkung des Oberkrans 6 im Uhrzeigersinn (also mit sinkendem Anstellwinkel 32) wird diese Drehung nicht nur leicht unterstützt, sondern durch ein stark ansteigendes Drehmoment 28 erheblich beschleunigt. Bleibt die Windlast bestehen, dann wird der Oberkran 6 durch die Beschleunigung nicht nur eine Lage mit maximaler Auslastung 29, sondern auch das labile Gleichgewichtslage im zweiten Nulldurchgang 34 des Drehmoments 28 – wenn der Ausleger 8 gegen den Wind weist – ungebremst durchfahren. Da im anschließenden Bereich das diese Drehung bremsende Drehmoment 28 (mit negativem Vorzeichen) betragsmäßig deutlich vermindert ist, besteht ein erhöhtes Risiko, dass auch das stabile Gleichgewicht durchfahren wird und der Oberkran 6 in Autorotation übergeht.
Entsprechend sind in der Zustandsüberwachung die Verläufe von Drehmomenten 28 und Auslastung 29 für alle auf der Baustelle möglichen Windrichtungen hinterlegt. Wird der erfindungsgemäße Drehkran 1 – wegen Überschreitung der maximalen Windgeschwindigkeit v_smax – außer Betrieb gesetzt und ein voreingestellter Schwellwert der Auslastung 29 überschritten, so ermittelt die Zustandsüberwachung aus diesen Verläufen denjenigen Anstellwinkel 32 des Oberkrans 6, in dem für die jeweils vorherrschende Windrichtung die Windbeanspruchung (und damit die Auslastung 29 des Drehkrans 1) minimal ist, sowie die Drehrichtung, in der beim Drehen des Oberkrans 6 in diese bevorzugte Richtung die maximale Windbeanspruchung minimal ist, und übermittelt beide an die Steuereinrichtung.
Die Steuereinrichtung des ersten erfindungsgemäßen Drehkrans 1 erzeugt einen akustischen Alarm und signalisiert dem Bedienpersonal die Drehrichtung sowie die bevorzugte Richtung des Auslegers 8. Das Bedienpersonal steuert diese durch den Antrieb am Drehkranz 4 motorisch an und stellt den Ausleger 8 in dieser Richtung mit der Feststellbremse des Drehkranzes fest.
In einem weiteren – ansonsten identischen – erfindungsgemäßen Drehkran überwacht die Steuereinrichtung die durch den Wind induzierte Drehung des windfrei gestellten Oberkrans, bremst diesen automatisch bei Annäherung an die bevorzugte Richtung mit Hilfe des Antriebs am Drehkranz motorisch ab und aktiviert wiederum die Feststellbremse.
In einem weiteren – wiederum ansonsten identischen – erfindungsgemäßen Drehkran steuert die Steuereinrichtung durch den Antrieb am Drehkranz die bevorzugte Richtung aktiv an.
In einem weiteren – ansonsten identischen – erfindungsgemäßen Drehkran erfasst die Zustandsüberwachung über DFÜ die meteorologischen Winddaten (Windgeschwindigkeit und -richtung) und initiiert auch unabhängig vom Überschreiten eines Schwellwerts der Auslastung prophylaktisch das Ansteuern einer bevorzugten Richtung, in der die Windbeanspruchung minimal wird.
In einem weiteren – ansonsten identischen – erfindungsgemäßen Drehkran ist die Zustandsüberwachung redundant ausgelegt.
Bezugszeichenliste

1: Drehkran
2: Fundament
3: Turm
4: Drehkranz
5: Hochachse
6: Oberkran
7: Kabine
8: Ausleger
9: Gegenausleger
10: Ballast
11: Turmspitze
12: Zugglied
13: Windmesser
14: Dehnungsmesser
15: Abstand
16: Beschleunigungsaufnehmer
17: Drehmoment
18: Anstellwinkel
19: Winkelversatz
20: Nulldurchgang
21: Maximum
22: Nulldurchgang
23: Maximum
24: Auslastung
25: Minimum
26: Maximum
27: Minimum
28: Drehmoment
29: Auslastung
30: Minimum
31: Nullstelle
32: Anstellwinkel
33: Nulldurchgang
34: Nulldurchgang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2025637 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 1990 [0002]
EN 1990 [0021]

Claims

Drehkran (1) mit einer vertikal verlaufenden Hochachse (5), einem von der Hochachse (5) ausladenden Ausleger (8), einem Antrieb zum Drehen des Auslegers (8) um die Hochachse (5), und einer Zustandsüberwachung, die eine Windbeanspruchung des Drehkrans (1) bestimmt, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit, die aus der Windbeanspruchung eine bevorzugte Richtung zum Feststellen des Auslegers (8) berechnet.
Drehkran (1) nach dem vorgenannten Anspruch, gekennzeichnet durch eine Signaleinheit, die dem Antrieb ein Signal zum Feststellen des Auslegers (8) in der bevorzugten Richtung übermittelt.
Drehkran (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Feststellbremse zum Feststellen des Auslegers (8) in der bevorzugten Richtung.
Verfahren zum Ausrichten eines Drehkrans (1) mit einer vertikal verlaufenden Hochachse (5) und einem von der Hochachse (5) ausladenden, um die Hochachse (5) drehbaren Ausleger (8), wobei eine Windbeanspruchung des Drehkrans (1) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Windbeanspruchung eine bevorzugte Richtung zum Feststellen des Auslegers (8) berechnet wird.
Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger (8) motorisch in die bevorzugte Richtung gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Windrichtung überwacht und in der Berechnung der bevorzugten Richtung berücksichtigt wird.
Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Windbeanspruchung über der Anströmrichtung des Auslegers (8) gespeichert und abhängig von der Windrichtung diejenige Richtung des Auslegers (8) als bevorzugte Richtung ausgewählt wird, in der die Windbeanspruchung minimal ist.
Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehsinn derart ausgewählt wird, dass beim Drehen des Auslegers (8) in die bevorzugte Richtung die maximale Windbeanspruchung minimal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslastung (24, 29) des Drehkrans (1) überwacht und in der Berechnung der bevorzugten Richtung berücksichtigt wird.