Messung an einem Chargierkran

Verfahren zur Erfassung der Belastungskenngrößen von Kranhubwerken

Das in [1] vorgestellte Konzept zur Erfassung der Belastungskenngrößen von Kranhubwerken wurde realisiert und bereits mehrmals erfolgreich eingesetzt. So konnten z.B. bei einem Chargierkran mit fehlerhaften Daten aus dem Lastkollektivspeicher die geleisteten Volllastbetriebsstunden auf Basis einer repräsentativen Messung rekonstruiert werden. Darüber hinaus konnte der Hublastbeiwert bestimmt werden.

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Messsystem im Einsatz Bild: Hochschule Anhalt
Messsystem im Einsatz Bild: Hochschule Anhalt

Die tatsächliche Nutzung S eines Hubwerks wird im Normalfall durch Lastkollektivspeicher erfasst, die die Zeit des Hebens bzw. Senkens einer angeschlagenen Last in äquivalente Volllastbetriebsstunden umrechnen. Überschreitet diese Nutzungsdauer die theoretische Nutzung D, ist eine Generalüberholung (GÜ) des Hubwerks vorzusehen [2]. Infolge der unumgänglichen Unschärfe der Berechnung sowie der Tatsache, dass nicht alle Krane mit der entsprechenden Messtechnik ausgestattet sind, bedarf es alternativer Möglichkeiten zur Erfassung der Kranbelastung. Weiterführend naheliegend ist die automatisierte Berechnung der theoretischen Restlebensdauer der Hubwerkskomponenten auf Basis der ermittelten Belastungskenngrößen. Das vorgestellte Konzept nutzt die lastabhängige Verformung der Bordscheibe von Seiltrommeln, um die Arbeitsweise eines Hubwerks vollständig zu erfassen und zu protokollieren. Ein Punkt auf der Bordscheibenoberfläche erfährt je Umdrehung abwechselnd eine Zug- und eine Druckbeanspruchung, weshalb daraus ein periodisches Signal resultiert (Bild 1).

Messsystem und Auswertung

Das Messsystem besteht aus einem DMS-Messverstärker, einem 32-Bit-Mikrocontroller und einem (optionalen) Beschleunigungssensor (Bild 2). Für die Speicherung der Daten ist ein SD-Kartenleser integriert. Die für weiterführende Berechnungen benötigten Kenngrößen Hublast, Hubweg und Hubzeit lassen sich allesamt aus dem Messsignal ableiten:

  • Bei gleicher Seilablaufposition (SAP) und unterschiedlicher Hublast liefert das Signal sowohl unterschiedliche Amplituden als auch Amplitudenänderungen je Umdrehung.
  • Der Hubweg ergibt sich mit dem Seiltrommeldurchmesser DT zu

Formel (1) Formel

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wobei n die Anzahl der Schwingspiele und i die Übersetzung des Seiltriebs ist.

  • Die Hubzeit kann direkt aus dem Zeitsignal entnommen werden.

Mit der aus der Hublast und den Parametern des Seiltriebs (Anzahl der Rollen, Wirkungsgrad usw.) ermittelbaren Seilkraft lassen sich dann komponentenspezifische Lastkollektive aufstellen, die die Basis für Lebensdauerberechnungen darstellen. Für ein Seilrollenlager z. B. ist die äquivalente dynamische Belastung gleich der doppelten Seilkraft, und die Anzahl der Umdrehungen liegt in Abhängigkeit des Seilwegs vor.

Messung an einem Chargierkran

Zuletzt konnte eine dreitägige Messung an einem Chargierkran durchgeführt werden (Bild 3). Motivation zur Messung waren Unsicherheiten des Betreibers hinsichtlich der erlebten Lastspiele bzw. hinsichtlich der Terminierung der anstehenden GÜ. Tabelle 1 zeigt die relevanten Ergebnisse der Messdatenauswertung.

Für das aktuelle Einsatzspektrum des Krans konnten folglich rd. 3 Volllastbetriebsstunden während der Messdauer ermittelt werden. Der Mehrwert im Vergleich zu anderen Systemen ist, dass nicht nur Volllastbetriebsstunden als Ergebnis vorliegen, sondern auch alle Kenngrößen der Belastung und damit auch die bauteilspezifischen Lastkollektive bzw. die konkrete Restlebensdauer einer jeden Komponente. Darüber hinaus konnte noch eine weitere Größe aus den Messdaten abgeleitet werden.

Ermittlung von Hublastbeiwert ϕH / Dynamikbeiwert ϕ2

Nach DIN 15018 wurde der sog. Hublastbeiwert ϕH ermittelt aus Hubklasse und Hubgeschwindigkeit und beschreibt die Überhöhung der Last durch dynamische Effekte während des Anhebens einer Last. Chargierkrane wurden im Normalfall der Hubklasse H3 zugeordnet, so dass bei geringen Hubgeschwindigkeiten ein Hublastbeiwert von

ϕH≈ 1,3 (2)

resultiert. In der inzwischen gültigen DIN EN 13001-2 bedeutet der schlicht genannte „Dynamikbeiwert ϕ2“ inhaltlich dasselbe, ist aber in leicht veränderter Form zu ermitteln. Hinsichtlich der Hubklasse hat sich in der DIN EN 13001 lediglich die Bezeichnung verändert, die Klasse wird nun HC3 genannt. Daraus folgen der Wert ϕ2min = 1,15 als auch der Gewichtungsfaktor b = 0,51 der Hubgeschwindigkeit. Nun ist die maßgebende Hubgeschwindigkeit vh entsprechend dem Hubwerkstyp und dessen Betriebsart festzulegen, die zwischen Null und der maximal (stetigen) Hubgeschwindigkeit liegen kann.

Für den betrachteten Chargierkran beläuft sich der Wert schließlich auf

ϕ2 = 1,24, (3)

ist also geringfügig kleiner als nach DIN 15018. Im gemessenen Signal lassen sich bei einigen Hüben überlagerte Peaks identifizieren, die zu Beginn des Hubvorgangs auftreten und ein Maß für den Hublastbeiwert sind (Bild 4). Neben der Relation zum Sollwert des Signals muss jedoch zusätzlich das Auftreten des Peaks, bezogen auf die Seiltrommel bzw. Messmittelposition, herangezogen werden: Ein Laststoß zeitgleich zum Nulldurchgang des Signals ist nicht identifizierbar, während der Stoß synchron zum Wertemaximum ebenfalls maximal wird.

Die ermittelten Werte des Hublastbeiwerts liegen im Bereich von 1,03 bis nahezu 1,5 und hängen auch von der Hublast selbst ab: Bei geringeren Lasten liegen größere Hublastbeiwerte vor als bei größeren Hublasten. Dies deckt sich mit den Ergebnissen einer anderen Messung an einem baugleichen Kran, wobei das in [3] vorgestellte Messsystem verwendet wurde.

Zusammenfassung und Ausblick

Das entwickelte Messsystem kam mehrmals erfolgreich zum Einsatz und konnte auch den widrigen Umgebungsbedingungen in Stahlwerken standhalten. Außer den Belastungskenngrößen konnte auch der Hublastbeiwert ermittelt werden. Im Rahmen weiterer Untersuchungen soll nun gezeigt werden, dass das System zusätzlich in Form von Condition-Monitoring-Maßnahmen verwendet werden kann, da sich beispielsweise Schwingungen aus dem Seiltrommellager infolge der baulichen Nähe problemlos erfassen lassen. Ferner soll auf Basis des Systems ein Tool zur Instandhaltungsplanung entstehen, das mit den ermittelten Komponentenlebensdauern bzw. Nutzungsdauern dem Betreiber größtmögliche Planungssicherheit geben soll. So kann er vor allem bei einer Vielzahl von Krananlagen längerfristig und sicherer Instandhaltungsmaßnahmen planen, um die Verfügbarkeit möglichst zu maximieren.

Literaturhinweise

  • Voigt, S.; Goedeke, A.; Kral, C.: Was Volllastbetriebsstunden aussagen. Konzept zur Erfassung der Belastungskenngrößen von Kranhubwerken. Technische Logistik, Berlin 62 (2022) 3, S. 16–17.

  • BGHM – Berufsgenossenschaft Holz und Metall: DGUV Vorschrift 54 – Winden, Hub- und Zuggeräte, November 2013.

  • Goedeke, A.; Schulz, C.; Gruss, H.; Gläser, T.: Predictive Maintenance im Kranbau. Erfassung des Belastungszustands von Krantragwerken. Hebezeuge Fördermittel, Berlin 58 (2018) 6, S. 30–31.

Stephan Voigt, M. Eng.,
Laboringenieur Konstruktion im Fachbereich EMW 
der Hochschule Anhalt, Köthen

Stephan Voigt

Dr.Ing. Arne Goedeke, Wissenschaftlicher Mitarbeiter
 im Fachbereich EMW 
der Hochschule Anhalt, Köthen

Dr.Ing. Arne Goedeke

Christopher Kral, Wissenschaftlicher Mitarbeiter 
im Fachbereich EMW 
der Hochschule Anhalt, Köthen

Christopher Kral
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· Artikel im Heft ·

Messung an einem Chargierkran
Seite 30 bis 31
04.03.2022
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