Technisches Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dämpfen
unerwünschter Schwingungen in einem Arm oder einem anderen Teil
eines Krans, das durch hydraulische Mittel schwenkbeweglich
ist. Sie betrifft ein System mit zumindest einem
Hydraulikmotor in einer Hydraulikleitung, in welcher eine Schikane
vorliegt. Wenn eine Leitungsverschlussvorrichtung oder eine
funktion betätigt wird, um die Hauptbewegung zu stoppen,
wandelt diese Schikane dem System innewohnende Energie
(Verformungsenergie und kinetische Energie) in Wärme in dem
Hydraulikfluid um, welches als Ergebnis der Schwingung weiterhin
strömt. Die Wärme zerstreut die Energie, um sämtliche
Schwingungen des Teils zu dämpfen oder zu unterdrücken.
Hintergrund der Erfindung
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In Kränen, beispielsweise vom Ausleger-Typ, können mehrere
Bewegungen vorliegen, die mittels Hydraulikmotoren ausgeführt
werden, üblicherweise mit linear betriebenen Motoren in der
Form von zylindrischen Stellorganen. Eine derartige Bewegung
besteht im horizontalen Verschwenken des Kranarms zwischen
verschiedenen Azimuth-Positionen. Dies wird häufig bewirkt
mittels zweier integrierter Hydraulikzylinder, die mittels
einer gemeinsamen Zahnstange ein Zahnrad betätigen, welches
durch die den Kran antragende Stütze axial getragen ist. Eine
derartige Kranbewegung ist in der anliegenden Zeichnung
schematisch dargestellt, in welcher ein in Draufsicht gezeigter
Kranarm mit 1 bezeichnet ist. Dieser Kranarm 1 ist auf einer
Stütze 2 angebracht, die ein Koaxialzahnrad 3 aufweist, welches
mit einer Zahnstange 4 in Eingriff steht, die an
gegenüberliegenden Enden mit Motoren in Form von zwei linearen
Hydraulikstellorganen verbunden ist. Diese weisen Zylinder 5, 5'
auf, in welchen Kolben 6, 6' zwei Betätigungskammern 7, 7'
festlegen. Diese beiden Hydraulikstellorgane bilden Teil einer
Hydraulikleitung, die allgemein mit 8 bezeichnet ist, in
welcher außerdem ein Richtungsventil 9 enthalten ist. Dieses ist
betätigbar, um Öl von der Pumpe 10 zu jedem der Zylinder 5, 5'
durch Hauptleitungen 8, 8b zu leiten, während Überschussöl zu
einem Tank 11 strömt. Durch Bewegen eines einstellbaren Hebels
9' des Richtungsventils 9 aus einer Neutralposition in jede
von zwei Betätigungspositionen vermag der Kranarm 1 entweder
im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn um die Achse des
Rads 3 zu verschwenken.
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Ein Problem, insbesondere bei Kränen mit großer Reichweite
(heutzutage existieren Kräne mit Reichweiten in der
Größenordnung von 14 m oder mehr) tritt dann auf, wenn der Kranarm die
Schwenkbewegung beendet hat, d. h., nachdem der Einstellhebel
des Richtungsventils 9 in die Neutralposition rückgestellt
wurde. Sowohl der Arm wie die Last, die er trägt, unterliegen
Schwingungsbewegungen oder hin- oder herlaufenden Bewegungen,
und die Dauer dieser Bewegungen kann lang sein. Sie sind
hervorgerufen durch die Tatsache, dass Verformungsenergie in dem
Kranarm leicht absorbiert wird, und durch Potentialenergie in
einer freihängenden Last, wenn der Kranarm verschwenkt wird.
Es wird angenommen, dass der Kranarm 1 zu einem bestimmten
Zeitpunkt während des Schwingungszyklus dazu neigt, um das
Zentrum des Zahnrads 3 im Gegenuhrzeigersinn zu verschwenken.
Wenn die Zahnstange 4 in Fig. 1 nach rechts bewegt wird, nimmt
der Öldruck in der Kammer 7' zu eben dem Zeitpunkt zu, wenn
der Öldruck in der Kammer 7 abnimmt. Das Richtungsventil 9
wird abgeschaltet und lässt keine Strömung zu. Unter diesen
Bedingungen wirkt der Arm 1 als Feder zu dem Zeitpunkt, wenn
die freihängende Last als Pendel wirkt. Dieses beschleunigt in
der entgegengesetzten Richtung, wenn es das Ende seines
Verschwenkens erreicht, und daraufhin wird der Arm im
Uhrzeigersinn in Bewegung versetzt. Der Öldruck in der Kammer 7 wird
dadurch erhöht. Auf diese Weise wird der Kranarm in Schwingung
versetzt. Bei einem 14-m-Kran schwingt beispielsweise das
Vorderende des Kranarms bzw. wird ausgelenkt zwischen Positionen
mit einem gegenseitigen Abstand in der Größenordnung von 2 m,
und dies kann 15 bis 20 Sekunden vor dem Stoppen des
Vorderendes und damit der Last der Fall sein. Diese Schwingungen sind
besonders schädlich, wenn die Last am Ende eines langen Seils
vom Vorderende des Kranarms herunterhängt. In diesen Fällen
schwingt die Kranarmspitze zu dem Zeitpunkt vor und zurück,
wenn die Last relativ zum Vorderende durch das Seil schwingt.
Diese Schwingungen können während des Verschwenkens des
Kranarmvorderendes zwischen zwei gewünschten Positionen
stattfinden. Sie können beispielsweise dann auftreten, wenn die
Hydraulikströme zu den jeweiligen Zylindern 5, 5' unterbrochen
werden, gegebenenfalls als Folge scharfer Hebelbewegungen am
Richtungsventil 9 oder als Folge davon, wenn die Last oder der
Kranarm an Gegenständen anschlägt.
Stand der Technik
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Um die lange Dauer dieser Schwingungen in den Griff zu
bekommen, sind Versuche unternommen worden, sie zu dämpfen. Durch
die SE 9101544-6 ist eine Dämpfungseinheit bekannt, die in
einer Zweig- oder Zwischenleitung vorgesehen ist, welche die
Hauptleitungen zwischen dem Richtungsventil und den
Hydraulikzylindern überbrückt. Die Dämpfungseinheit hat die Form einer
Schikane, der eine mit ihr zusammenwirkende
Abschaltvorrichtung zugeordnet ist. In der SE 9101544-6 besteht diese
Abschaltvorrichtung aus einem Kolben, der in einem Zylinder
enthalten und zwischen gegenüberliegenden Endpositionen frei
beweglich ist, wobei der Kolben die Ölströmung durch die
Schikane unterbricht, wenn er die jeweilige Endposition erreicht.
Wenn das Öl an der Schikane vorbeiläuft, wird in dem Öl eine
turbulente Strömung erzeugt, die dem System innewohnende
Energie in Wärme umsetzt. Auf diese Weise wird die in dem System
verbleibende Energie zerstreut und die Dauer der Schwingungen
des Kranarms wird um ein deutliches Ausmaß verringert. Unter
der Annahme, dass der Kranarm ausgehend von seiner vollen
Verschwenkgeschwindigkeit plötzlich gestoppt wird, kann die Dauer
von Schwenkbewegungen (bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Arm
vollständig stillsteht) von 15 bis 20 Sekunden auf 3 bis 5
Sekunden verringert werden.
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Die Lösung des in der SE 9101544-6 offenbarten Problems ist
jedoch aus mehreren Gründen nicht zufriedenstellend. Ein Grund
ist, dass der Kolben des Dämpfungszylinders mehr als eine
diskrete Position einnehmen kann, wenn der Bedarf an Dämpfung
nicht mehr vorliegt. Dies bedeutet, dass Hydrauliköl in
begrenzten Mengen durch die Schikane und damit zu einem der
beiden Hydraulikstellorgane strömen kann. Der Kranarm nimmt
deshalb nicht mit Sicherheit jede zwangsweise stationäre Position
ein. Ganz im Gegenteil hat der Kran die Freiheit, innerhalb
eines begrenzten Bereichs zu schwingen. In bestimmten
Betätigungszuständen, beispielsweise während der Belastung auf der
Steigung eines Hügels oder auf einem schrägen Untergrund ist
dies schädlich. Ein weiterer Grund dafür, weshalb die bekannte
Lösung nicht zufriedenstellend ist, besteht darin, dass die
beschränkende oder drosselnde Funktion infolge des Abschaltkolbens
in dem Dämpfungszylinder unregelmäßig wird, der sich
über den gesamten Weg bis zur Endposition frei bewegt. Dort
unterbricht er schlagartig weitere Strömung und stoppt damit
kurz(fristig) eine weitere Dämpfung. Dies führt zu einer
schlechten Dämpfung und zu einem großen statischen Spiel der
Schwenkfunktion des Krans, abhängig davon, was Priorität hat,
wenn die Dämpfungseinheit eingestellt wird.
Aufgaben und Merkmale der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, das durch die SE
9101544-6 weiterhin belassene Problem zu überwinden und eine
Dämpfungseinheit zu schaffen, welche während des
Dämpfungsvorgangs reguläre oder gleichmäßige Bewegungen des Kranarms
fördert und gleichzeitig sicherstellt, dass der Arm zuverlässig
und in einer gewünschten Position nach dem Schwenkvorgang
stoppt. Eine grundsätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht deshalb darin, eine Dämpfungsvorrichtung zu schaffen,
die immer dann aktiviert werden kann, wenn eine Schwingung
aufgrund eines erwarteten oder unerwarteten externen
Einflusses auf das Hydrauliksystem dabei ist aufzutreten, wie etwa
bei unbeabsichtigten oder beabsichtigten Hebelbewegungen oder
Kollisionen gegen Hindernisse. Eine weitere Aufgabe besteht
darin, eine Dämpfungsvorrichtung zu schaffen, die, nachdem der
Arm seine Bewegung gestoppt hat, sicherstellt, dass jegliche
Strömung von Hydraulikfluid durch die Dämpfungsschikane
unterbunden wird, so dass unkontrollierte Bewegungen des Kranarms
verhindert werden.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung werden die vorstehend
genannten Aufgaben durch die Merkmale gelöst, die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 festgelegt sind. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
festgelegt.
Weitere Erläuterung des Standes der Technik
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Die DE 42 16 241 offenbart eine weiter entwickelte
Ausführungsform der Dämpfungsvorrichtung gemäß der SE 9101544-6. Bei
dieser Ausführungsform ist eine Leitungsverschlussvorrichtung
in Form von zwei Abschaltventilen in der Zwischenleitung
angeordnet, um die Dämpfungseinheit geschlossen zu halten, bis ein
vorbestimmter Druck in der Leitung auftritt. Der Schwellenwert
des Drucks wird jedoch ein für allemal festgelegt und kann für
unterschiedliche Bedingungen nicht eingestellt werden.
Kurze Beschreibung der anliegenden Zeichnung
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Die Zeichnungsfigur 1 zeigt eine schematische Darstellung
eines Hydrauliksystems der vorstehend erläuterten Art, in
welchem eine schematisch gezeigte erfindungsgemäße
Dämpfungsvorrichtung enthalten ist. Insbesondere zeigt Fig. 1 eine erste
bevorzugte Ausführungsform mit Steuermitteln, enthaltend einen
Mikrocomputer oder eine ähnliche Steuereinheit.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung
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In einer an sich aus der SE 9101544-6 bekannten Weise ist eine
Schikane, die symbolisch mit 13 bezeichnet ist, in einer
Zweig- oder Zwischenleitung 12 zwischen den Hauptleitungen 8a,
8b angeordnet. In der Praxis kann diese Schikane aus einer
stationären Schikane in Form eines ringförmigen Einsatzes oder
einer Schulter verringerten Durchmessers bestehen, der bzw.
die in der Leitung 12 angeordnet ist. Bei der Leitung kann es
sich um ein Rohr oder ein Bohrloch in einem Block handeln. Ein
Abschaltventil, das allgemein mit 14 bezeichnet ist, und die
Form eines Magnetventils vom Ein-/Ausschalt-Typ beispielsweise
einnimmt, wirkt mit dieser stationären Schikane 13 zusammen.
Mittels des Abschaltventils kann die Leitung 12 entweder
vollständig blockiert werden, wodurch Ölströmung durch die
Schikane 13 unmöglich gemacht wird, oder es kann geöffnet werden,
damit Öl durch die Schikane strömen kann. Dieses Öffnen und
Schließen des Ventils wird durch die Steuereinheit 15
gesteuert, welche in der Praxis vorteilhafterweise, jedoch nicht
zwangsweise aus einem Mikrocomputer bestehen kann. Bei der
gezeigten Ausführungsform werden Eingangsdaten für diese
Steuereinheit erhalten mittels zweier Sensoren 16, 16' in Gestalt
von Druck- oder Strömungssensoren. Diese können, wie gezeigt,
mit der Zwischenleitung 12 verbunden sein, oder sie können mit
den Leitungen 8a, 8b beiderseits der Schikane 13 und des
Magnetventils 14 verbunden sein. Der Zweck dieser Sensoren 16,
16' besteht darin, signifikante Bedingungen und/oder
Änderungen der Bedingungen in dem Hydrauliköl in der Leitung zu
ermitteln. Es ist in der Praxis bevorzugt, Sensoren zu
verwenden, die dazu geeignet sind, signifikante Drücke und/oder
Druckänderungen zu ermitteln, die in den beiden Stellorganen
5, 5' auftreten, wenn der Kranarm 1 zu schwingen beginnt. Wenn
die Steuereinheit 15 Information von den Sensoren 16, 16'
empfängt, dass Drücke und/oder Druckänderungen einer bestimmten
Größe bzw. Höhe in dem System aufgetreten sind, stellt die
Einheit dem Magnetventil 14 ein Öffnungssignal bereit, wodurch
das Ventil Öl durch die Schikane 13 strömen lassen kann. Mit
anderen Worten wird die Schikane aktiviert und turbulente
Strömung wird in dem Öl erzeugt, welches zu dieser und an ihr
vorbeiströmt. Die variierende Verformungsenergie und die kinetische
Energie in dem System werden in an sich bekannter Weise
in dem Öl in Wärme umgesetzt und die Schwingungsbewegungen des
Kranarms werden gedämpft. Sobald diese Schwingungsbewegungen
auf ein Niveau abgenommen haben, auf welchem die Sensoren
keine signifikanten Bedingungen und/oder Änderungen von
Bedingungen mehr ermitteln (was innerhalb des Ablaufs von wenigen
Sekunden der Fall sein kann), stellt die Steuereinheit 15 dem
Magnetventil 14 ein Schließsignal zur Verfügung. Jede weitere
Strömung von Öl durch die Schikane 8 wird dadurch blockiert.
Es wird bemerkt, dass das Richtungsventil 9 während dieses
Dämpfungsvorgangs jederzeit geschlossen gehalten wird. Wenn
das Ventil 14 abgeschaltet wird, wird selbst eine minimale
Ölströmung zwischen den beiden Zylindern 5, 5' unmöglich
gemacht. Dies stellt sicher, dass der Kranarm 1 in seiner
gegebenen erwünschten Position zuverlässig gehalten wird.
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Im Gegensatz zu der Lösung des Problems, die in der SE
9101544-6 offenbart ist, ermöglicht die Dämpfungsvorrichtung
gemäß Fig. 1 ein vollständiges zuverlässiges und zwangsweises
gesteuertes Schließen der Zwischenleitung 12, wenn der Kranarm
festgesetzt ist. Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden
Erfindung besteht deshalb darin, dass sie eine zuverlässige
und zwangsweise Einstellung des Kranarms in die gewünschte
Position bereitstellt, während die Dauer der resultierenden
Schwingungen im Vergleich zu solchen Kränen deutlich
verringert sind, die keine Dämpfungsvorrichtungen aufweisen. Ein
weiterer Vorteil im Vergleich zu der SE 9101544-6 besteht
darin, dass die Schikane und damit der Dämpfungsvorgang
zwangsweise und wirkungsvoll gesteuert werden kann. Die
Steuereinheit 15 kann, wenn es sich bei ihr um einen Mikrocomputer
handelt, derart programmiert sein, dass das Magnetventil 14,
welches normalerweise geschlossen ist, nicht nur dann geöffnet
wird, wenn der Kranarm seine Schwenkbewegung beendet hat (wenn
der Hebel des Richtungsventils 9 in die neutrale Position
bewegt wird), sondern zu jedem Zeitpunkt während des
Schwenkvorgangs. Eine Abfolge von Schwingungen manifestiert sich
ungeachtet dessen, ob sie auftritt, nachdem die grundsätzliche
Kranarmbewegung gestoppt wurde, oder während des
Schwenkvorgangs, selbst in einer harmonischen Funktion, deren Bedingung
durch den Mikrocomputer mittels der Sensoren erfasst bzw.
gelesen wird. Bei einer bestimmten vorliegenden Bedingung kann
der Computer ein Signal an das Magnetventil senden, um dieses
entweder zu öffnen oder zu schließen. Auf den freibeweglichen
oder schwimmenden Kolben in dem Dämpfungszylinder gemäß der SE
9101544-6 kann hingegen von außen überhaupt nicht in
kontrollierter Weise eingewirkt werden.
Mögliche Modifikationen der Erfindung
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend und in der
Zeichnung offenbarte Ausführungsform beschränkt. Die
Ausführungsform gemäß Fig. 1 umfasst eine stationäre Schikane und ein
Magnetventil getrennt von der Schikane. In der Praxis ist es
jedoch möglich, statt dieser getrennten Bestandteile ein
Rückschlagventil zu verwenden, welches sowohl als variable
Schikane sowie zum vollständigen Verschließen der Hydraulikleitung
dient. Anstelle einer einzigen stationären Schikane (in der
Praxis in Form eines Einsatzes oder einer Schulter mit einer
kleinen Perkulationsöffnung) ist es möglich, zwei oder mehrere
Schikanen mit größeren Öffnungen zu verwenden. Anstelle der
Drucksensoren ist es auch möglich, entweder Strömungssensoren
in der Hydraulikleitung oder Positionssensoren zu verwenden,
welche die Position des zu bedämpfenden Kranelements
unverzüglich bzw. momentan ermitteln. Außerdem ist die Erfindung nicht
beschränkt auf die Verwendung von genau zwei Sensoren, weil
die notwendige Information bezüglich der Strömungs- oder
Druckbedingungen in dem System auch erhalten werden kann
mittels eines einzigen Sensors in Kombination mit den Kennlinien
der Schikane. Das Prinzip der Erfindung ist in keinster Weise
auf die horizontale Verschwenkung eines Krans um eine
vertikale Achse beschränkt. Die Dämpfungsvorrichtung gemäß der
Erfindung kann demnach auch für andere Elemente, die Kranteile
bilden, verwendet werden, wie etwa den inneren Ausleger und den
äußeren Ausleger, um Schwingungen in anderen Ebenen, wie etwa
der Vertikalebene, zu dämpfen.