EP1757739A2 - Overload warning device for excavators - Google Patents

Abstract

The overload warning device measures the supporting forces (F1-F4) at the supporting points, places them in increasing order and determines the stability of the support from the ratio of the sum of the forces summed in one direction to the sum of the forces summed in the opposite direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überlastwarneinrichtung für Bagger, vorzugsweise Hydraulikbagger oder Material-Umschlaggeräte, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an overload warning device for excavators, preferably hydraulic excavators or material handling equipment, according to the preamble of claim 1.

Überlastwarneinrichtungen sollen dem Fahrer notwendige Informationen hinsichtlich einer möglichen Überlast des Gerätes geben. Bei Hydraulikbaggern, die im Baubereich wie auch als Umschlaggerät im Industriebereich eingesetzt werden können, dienen die Überlastwarneinrichtungen in erster Linie als Sicherheitsinstrument, um ein Umkippen des Gerätes zu verhindern.Overload warning devices should give the driver necessary information regarding a possible overload of the device. In hydraulic excavators, which can be used in the construction sector as well as a handling device in the industrial sector, the overload warning devices are primarily used as a safety instrument to prevent tipping over of the device.

Es sind bereits Überlastwarneinrichtungen in verschiedenen Bauausführungen bekannt. Hierbei werden folgende zwei Varianten verwendet:

• In einer ersten Variante wird der Hydraulikdruck im Hubzylinder gemessen. Wenn der Bagger arbeitet wird stets der Hydraulikdruck im Hubzylinder überwacht. Anhand einer im Vorfeld über die Konfiguration des Gerätes durchgeführten Nutzlastberechnung ist als Referenzwert der niedrigste Hydraulikzylinderdruck ermittelt, bei dem das Gerät in jedem Fall noch sicher steht. Dieser berechnete Druck wird werkseitig mit einem Druckschalter eingestellt. Überschreitet nun der Druck im Hubzylinder während der Lasthebearbeiten den eingestellten Wert, wird der Fahrer durch ein entsprechendes Alarmsignal gewarnt.
• In einer zweiten Variante wird der Hydraulikdruck im Hubzylinder und gleichzeitig die Auslegerposition gemessen. Hier wird also wie bereits zuvor geschildert während des Arbeitens der Hydraulikdruck im Hubzylinder überwacht. Zusätzlich wird jedoch die Stellung des Auslegers entweder über den Winkel oder über die Zylinderposition berücksichtigt. Für die Auslegerkinematik der vorhandenen Konfiguration wird im Vorfeld eine Nutzlastberechnung durchgeführt, bei der für jede Auslegerposition der niedrigste Hubzylinderdruck berechnet wird. Anhand dieser Daten und der Kennlinie des Druckschalters wird eine Kurvenscheibe konstruiert, die sich synchron mit dem Ausleger dreht und für jede Auslegerposition den korrekten Druck am Druckschalter einstellt. Überschreitet der Hubzylinderdruck während der Lasthebearbeiten den eingestellten Wert, wird der Fahrer durch ein Alarmsignal gewarnt.

Overload warning devices in various designs are already known. The following two variants are used:

• In a first variant, the hydraulic pressure in the lifting cylinder is measured. When the excavator is working, the hydraulic pressure in the lifting cylinder is always monitored. Based on a payload calculation carried out in advance via the configuration of the device, the lowest hydraulic cylinder pressure is determined as the reference value in any case, the device is still safe. This calculated pressure is factory set with a pressure switch. If the pressure in the lifting cylinder now exceeds the set value during the lifting operations, the driver is warned by a corresponding alarm signal.
• In a second variant, the hydraulic pressure in the lifting cylinder and at the same time the boom position is measured. Here, as already described above, the hydraulic pressure in the lifting cylinder is monitored during operation. In addition, however, the position of the boom is considered either over the angle or over the cylinder position. For the boom kinematics of the existing configuration, a payload calculation is performed in advance, which calculates the lowest lift cylinder pressure for each boom position. Based on this data and the characteristic curve of the pressure switch, a cam is designed that rotates synchronously with the boom and adjusts the correct pressure at the pressure switch for each boom position. If the lifting cylinder pressure exceeds the set value during lifting operations, the driver is warned by an alarm signal.

Auch Kombinationen der beiden Meßverfahren werden eingesetzt. Beispielsweise wird im nicht abgestützten Zustand eines Baggers, das heißt beim Arbeiten auf den Reifen die erste Variante verwendet, während für den abgestützten Zustand die zweite Variante verwendet wird (oder umgekehrt).Combinations of the two measuring methods are also used. For example, in the unsupported state of an excavator, that is, when working on the tire, the first variant is used, while for the supported state, the second variant is used (or vice versa).

Bei den zuvor beschriebenen bislang verwendeten Überlastwarneinrichtungen ergeben sich in der Praxis allerdings einige Probleme.In the previously described overload warning devices, however, there are some problems in practice.

So kann sich für den Fall, dass die Ausrüstungsposition nicht berücksichtigt wird, die Abweichung zwischen der berechneten Kipplast und der tatsächlich aufnehmbaren Kipplast bis zu 40% betragen. Wird nun der Auslegerwinkel mit einbezogen und für die restlichen Ausrüstungsbauteile jeweils der ungünstigste Zustand berücksichtigt, kann die Abweichung zwischen der berechneten Kipplast und der tatsächlich aufnehmbaren Kipplast immer noch bis zu 20% betragen.Thus, in the event that the equipment position is not taken into account, the deviation between the calculated tipping load and the actually absorbable tipping load may be up to 40%. If the cantilever angle is included and the least favorable condition is taken into account for the remaining equipment components, the deviation between the calculated tipping load and the actually absorbable tipping load can still be up to 20%.

Will man nun die Ausrüstungsposition genau bestimmen, so muss für jedes Ausrüstungsbauteil, beispielsweise über einen Winkelaufnehmer die Position bestimmt werden. Dies wiederum ist aufwendig und teuer.If you now want to determine the equipment position exactly, then the position must be determined for each equipment component, for example via an angle sensor. This in turn is complicated and expensive.

Ist nun die Gerätekonfiguration nicht bekannt bzw. wurde sie verändert, funktioniert die Überlastwarneinrichtung nicht mehr korrekt, da dann durch die Berechnung mit der falschen Konfiguration aus den gemessenen Daten ein falscher Rückschluß auf die Standsicherheit gezogen wird.If the device configuration is not known or has been changed, the overload warning device will no longer work correctly, as the calculation with the wrong configuration will then draw a false conclusion about the stability from the measured data.

Die Berechnung des Belastungszustandes kann nur exakt für den Fall bestimmt werden, dass das Gerät eben steht. Bei Neigung in Längs- und/oder Querrichtung dagegen verringert sich das Standmoment der Maschine. Die Überlastwarneinrichtung gibt in diesem Fall zu spät das Warnsignal aus.The calculation of the load condition can only be determined exactly for the case that the unit is level. When tilted in the longitudinal and / or transverse direction, however, reduces the stationary torque of the machine. In this case, the overload warning device issues the warning signal too late.

Ausgehend von der vorgenannten Problematik bei bekannten Überlastwarneinrichtungen stellt sich die Aufgabe, eine gattungsgemäße Überlastwarneinrichtung derart weiterzubilden, dass ein Überlastzustand sofort und zutreffend ermittelbar und anzeigbar ist.Based on the aforementioned problem with known overload warning devices has the task of developing a generic overload warning device such that an overload condition can be determined immediately and accurately and displayed.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Überlastwarneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by an overload warning device having the features of claim 1.

Demnach werden an den in der Regel vier Abstützpunkten des Baggers die vier Aufstandskräfte ermittelt, das heißt die Abstütz- bzw. die Radlasten des Baggers werden gemessen, da anhand dieser Lasten die Standfestigkeit des Baggers unmittelbar abgelesen werden kann. Hierzu werden erfindungsgemäß die Aufstandskräfte an den vier Abstützpunkten in eine ihrem Betrag nach absteigender Reihenfolge gebracht, so dass gilt F₁ > F₂ > F₃ > ... > F_n. Mit diesen Werten wird die Standsicherheit nach folgender Formel ermittelt: $$S=\frac{{\displaystyle \sum _{i=3}^n{F}_i}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{F}_i}}\ge S_{\min }$$

Accordingly, the four uprising forces are determined at the usually four support points of the excavator, that is, the support or the wheel loads of the excavator are measured because of these loads, the stability of the excavator can be read directly. For this purpose, according to the invention, the contact forces at the four support points are brought down in an order decreasing in their absolute value, so that F ₁ > F ₂ > F ₃ >...> F _n . These values are used to determine the stability according to the following formula: $$S=\frac{{\displaystyle \underset{i=3}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_i}}{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_i}}\ge S_{\min }$$

Für n = 4 Aufstandspunkte gilt: $$S=\frac{F_3+F_4}{F_1+F_2+F_3+F_4}\ge S_{\min }$$

For n = 4 uprising points: $$S=\frac{F_3+F_4}{F_1+F_2+F_3+F_4}\ge S_{\min }$$

In der vorgenannten Regel geht man also davon aus, dass in dem Fall, dass die Summe der beiden kleineren Aufstandskräfte bezogen auf die Summe der gesamten Aufstandskräfte einen vorbestimmten Betrag unterschreitet, das Gerät zum Umkippen neigt.In the aforementioned rule, it is therefore assumed that in the event that the sum of the two smaller contact forces, based on the sum of the total contact forces, falls below a predetermined amount, the device tends to tip over.

Dieser minimale Standsicherheitswert S_min wird üblicherweise durch Normen festgelegt. Für Hydraulikbagger im Bau- und Umschlagbereich gilt beispielsweise die Norm ISO 10567. Hier wird die Nennlast in Höhe von 75% der statischen Kipplast definiert, was zu einer Mindeststandsicherheit S_min von 25% führt. Daher ist der vorzugsweise Wert für S_min = 0,25.This minimum stability value S _min is usually determined by standards. For example, the standard ISO 10567 applies to hydraulic excavators in the construction and transhipment sector. Here, the rated load is defined at 75% of the static tipping load, which leads to a minimum stability S _min of 25%. Therefore, the preferable value for S _min = 0.25.

Überschreitet also der entsprechend gemessene Wert der Aufstandskräfte den Wert S_min wird ein entsprechendes Warnsignal an den Baggerführer ausgegeben. Gegebenenfalls kann hier unmittelbar auf die Steuerung des Baggers eingewirkt werden, um ein Umfallen zu verhindern.Thus, if the corresponding measured value of the contact forces exceeds the value S _min , a corresponding warning signal is output to the excavator operator. Optionally, it can be acted directly on the control of the excavator to prevent it from falling over.

Vorteilhaft kann mit der erfindungsgemäßen Überlastwarneinrichtung die Standsicherheit zu jedem Zeitpunkt und für jede beliebige Stellung exakt ermittelt werden. Es genügt hier, die Aufstandskräfte des Baggers zu messen. Für die Berechnung der Standsicherheit werden keine weiteren Angaben benötigt. Es brauchen auch keine Winkel der Ausrüstung oder der Oberwagenstellung gemessen werden. Es bedarf keiner Vorabberechnungen für verschiedene Gerätekonfigurationen. Das Erstellen und die Verwaltung von Kurvenschreiben für unterschiedliche Konfigurationen entfällt. Im Unterschied zu der Überlastwarneinrichtung im Stand der Technik müssen keinerlei Einstellungen am Bagger vorgenommen werden. Änderungen an der Gerätekonfiguration selbst haben keinerlei Auswirkungen auf die Genauigkeit der Standsicherheitsberechnung. Eine Schräglage des Geräts, das heißt eine Neigung in Längs- und/oder Querrichtung, wird ebenfalls in der Standsicherheitsermittlung berücksichtigt.Advantageously, the stability can be determined exactly at any time and for any position with the overload warning device according to the invention. It suffices here to measure the uprising forces of the excavator. For the calculation of stability, no further information is needed. Also, no angles of equipment or uppercarriage position need to be measured. It does not require any preliminary calculations for different device configurations. The Creating and managing trend curves for different configurations is no longer necessary. In contrast to the overload warning device in the prior art, no adjustments on the excavator must be made. Changes to the device configuration itself have no effect on the accuracy of the stability calculation. An inclination of the device, that is a slope in the longitudinal and / or transverse direction, is also taken into account in the stability analysis.

Besondere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.Particular advantages of the invention will become apparent from the subsequent claims to the main claim.

Nach einer ersten besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Aufstandskräfte über die Zylinderdrücke der Abstützzylinder der Abstützung gemessen werden. Hierzu werden an jedem Zylinder kolbenseitig vorteilhaft Drucksensoren angebracht. Anhand der bekannten Kolbenfläche und der Abstützkinematik können die vier Abstützkräfte dann berechnet werden. Hierbei ist allerdings darauf zu achten, dass die Zylinder nicht ganz auf Anschlag ausgefahren werden dürfen, da dann der kolbenseitige Druck alleine keine ausreichende Aussage über die Abstützkraft mehr gibt. In diesem Fall müßten die Drücke auf Kolben- und Stangenseite gemessen und die daraus resultierenden Kräfte voneinander subtrahiert werden.After a first particularly advantageous embodiment of the invention, the contact forces can be measured on the cylinder pressures of the support cylinder of the support. For this purpose, pressure sensors are advantageously attached to each cylinder on the piston side. Based on the known piston surface and the support kinematics, the four support forces can then be calculated. However, it is important to ensure that the cylinders are not allowed to be fully extended to the stop, because then the piston-side pressure alone does not provide sufficient information about the supporting force. In this case, the pressures on the piston and rod side would have to be measured and the resulting forces subtracted from each other.

Die Messung der Zylinderdrücke in den Abschlußzylindern kann die Standsicherheit nur für den abgestützten Zustand des Gerätes ermitteln. Doch dies ist in den meisten Fällen bereits ausreichend, insbesondere in Einsatzbereichen, wo überwiegend oder nur im abgestützten Zustand Lasthebearbeiten durchgeführt werden. Für den nicht abgestützten Zustand dieser Geräte könnte die bereits im Stand der Technik diskutierte erste Variante der Überlastwarneinrichtung ergänzend zum Einsatz kommen.The measurement of the cylinder pressures in the final cylinders can determine the stability only for the supported state of the device. However, this is already sufficient in most cases, especially in application areas where lifting or lifting work is carried out predominantly or only in the supported state. For the unsupported state of these devices, the first variant of the overload warning device already discussed in the prior art could additionally be used.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung führt dazu, dass die Abstützkräfte über Kraftmeßbolzen oder Kraftmeßdosen an den Abstützwippen der jeweiligen Abstützeinrichtung ermittelbar ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet den Vorteil, dass die Abstützkräfte unmittelbar gemessen werden und nicht erst über die Abstützkinematik umgerechnet werden müssen. Die entsprechenden Kraftmeßbolzen und Kraftmeßdosen müssen jeweils gegen Schmutz und Beschädigung geschützt werden.Another preferred embodiment of the invention causes the support forces Kraftmeßbolzen or load cells on the support rockers of the respective Supporting device can be determined. This embodiment of the invention has the advantage that the supporting forces are measured directly and do not have to be converted over the support kinematics. The corresponding Kraftmeßbolzen and load cells must be protected against dirt and damage.

Eine andere Alternative besteht darin, dass Kraftmeßbolzen am jeweiligen Einbolzpunkt des Abstützzylinders zum Unterwagen angebracht werden. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Verkabelung und die Gefahr der Verschmutzung ist weitgehend ausgeschaltet. Allerdings müssen im Unterschied zur vorherig diskutierten bevorzugten Ausgestaltung die Kräfte wieder über die Abstützkinematik umgerechnet werden. Über die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung lassen sich nur die Abstützkräfte ermitteln, nicht jedoch die Radlasten.Another alternative is that Kraftmeßbolzen be attached to the respective Einolzpunkt of the support cylinder to the undercarriage. This results in a particularly simple cabling and the risk of contamination is largely eliminated. However, in contrast to the previously discussed preferred embodiment, the forces have to be converted again via the support kinematics. About the aforementioned embodiment of the invention, only the support forces can be determined, but not the wheel loads.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung liegt nun aber darin, die Radlasten über Dehnungsmeßstreifen zu ermitteln. Hierzu sind an geeigneter Stelle an den Achsen Dehnungsmeßstreifen anzubringen und über die Durchbiegung der Achsen können dann die Radlasten ermittelt werden. Die Dehnungsmeßstreifen müssen hier vor Beschädigung entsprechend geschützt werden. Diese Meßmethodik erfordert eine vorherige Kalibrierung.However, a further preferred embodiment of the invention lies in determining the wheel loads via strain gauges. For this purpose, strain gauges are to be attached to the axles at a suitable point, and the wheel loads can then be determined via the deflection of the axles. The strain gauges must be protected accordingly from damage here. This measurement methodology requires a prior calibration.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigen die Figuren 1 und 2 jeweils Hydraulikbagger gemäß der vorliegenden Erfindung.Further features, details and advantages of the invention will become apparent from the embodiment illustrated in the drawing. Figures 1 and 2 respectively show hydraulic excavators according to the present invention.

In Figur 1 ist ein Hydraulikbagger 10 üblicher Konfiguration gezeigt, an dessen Unterwagen 12 hydraulisch ausfahrbare Abstützfüße 14 angeordnet sind. Hier ist also eine entsprechende Vierpunktabstützung verwirklicht. In der Figur 1 sind die Aufstandskräfte F1, F2, F3 und F4 an den jeweiligen Abstützfüßen 14 eingezeichnet.FIG. 1 shows a hydraulic excavator 10 of conventional configuration, on the undercarriage 12 of which hydraulically extendable support feet 14 are arranged. So here is a corresponding four-point support realized. FIG. 1 shows the contact forces F1, F2, F3 and F4 on the respective support feet 14.

Die Figur 2 entspricht derjenigen gemäß Figur 1. Dort sind beim Hydraulikbagger 10 aber im Unterschied zur Figur 1 die entsprechenden Aufstandskräfte F1, F2, F3 und F4 an den Rädern eingezeichnet. Diese sind dann zu berücksichtigen, wenn der Bagger 10 nicht über die Vierpunktabstützung abgestützt ist.FIG. 2 corresponds to that according to FIG. 1. In the case of the hydraulic excavator 10, however, in contrast to FIG. 1, the corresponding contact forces F1, F2, F3 are present and F4 drawn on the wheels. These are to be considered when the excavator 10 is not supported by the four-point support.

Claims (9)

Überlastwarneinrichtung für Bagger, vorzugsweise Hydraulikbagger oder Material-Umschlaggeräte, mit drei oder mehr Aufstandspunkten,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufstandskräfte an den Aufstandspunkten ermittelt werden, daß sie in eine ihrem Betrag nach absteigende Reihenfolge gebracht werden, so daß gilt F₁ > F₂ > F₃ > ... > F_n und daß die Standsicherheit nach folgender Formel ermittelt wird: $$S=\frac{{\displaystyle \sum _{i=3}^n{F}_i}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{F}_i}}\ge S_{\min }$$

Overload warning device for excavators, preferably hydraulic excavators or material handling equipment, with three or more pick-up points,
characterized,
that the uprising forces are determined at the Aufstandpunkte that they are brought in a decreasing order by their amount, so that applies F ₁ > F ₂ > F ₃ >...> F _n and that the stability is determined according to the following formula: $$S=\frac{{\displaystyle \underset{i=3}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_i}}{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_i}}\ge S_{\min }$$

Überlastwarneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß S_min einen Wert von 0,25 aufweist.Overload warning device according to claim 1, characterized in that S _{min has} a value of 0.25. Überlastwarneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandskräfte über die Zylinderdrücke der Abstützzylinder gemessen werden.Overload warning device according to claim 1 or 2, characterized in that the contact forces are measured via the cylinder pressures of the support cylinders. Überlastwarneinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Abstützzylinder kolbenseitig und/oder stangenseitig ein Drucksensor angebracht ist.Overload warning device according to claim 3, characterized in that a pressure sensor is attached to each support cylinder on the piston side and / or rod side. Überlastwarneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandskräfte über Kraftmeßbolzen oder Kraftmeßdosen an den Abstützwippen der Abstützung gemessen werden.Overload warning device according to claim 1 or 2, characterized in that the contact forces are measured by means of force measuring bolts or load cells on the support rockers of the support. Überlastwarneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandskräfte über Kraftmeßbolzen in den Einbolzpunkten der Abstützzylinder am Unterwagen gemessen werden.Overload warning device according to claim 1 or 2, characterized in that the contact forces are measured via Kraftmeßbolzen in the points of engagement of the support cylinder on the undercarriage. Überlastwarneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandskräfte über die Messung der Radlasten ermittelt werden.Overload warning device according to claim 1 or 2, characterized in that the contact forces are determined by measuring the wheel loads. Überlastwarneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Radlasten über Dehnungsmeßstreifen erfolgt.Overload warning device according to claim 7, characterized in that the measurement of the wheel loads takes place via strain gauges. Hydraulikbagger mit einer Überlastwarneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Hydraulic excavator with an overload warning device according to one of claims 1 to 8.

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