Was Volllastbetriebsstunden aussagen

Konzept zur Erfassung der Belastungskenngrößen von Kranhubwerken

Die sichere Betriebsperiode eines Kranhubwerks endet nach DGUV V 54 mit dem Ablauf der theoretischen Nutzungsdauer. Lastkollektivspeicher geben dem Betreiber Volllastbetriebsstunden aus, die als Grundlage für die Veranlassung von Generalüberholungen dienen. Die Anzahl der Volllastbetriebsstunden ist jedoch eine häufig unzureichende Basis für die Lebensdauerberechnung der Hubwerkkomponenten. Deshalb wird ein neuartiges Konzept zur Erfassung aller relevanten Größen vorgestellt.

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Lebensdaueranalyse einer Seilrolle;a) Auszug aus technischer Zeichnung, b) CAD-Halbmodell, c) FE-Viertelmodell, d) FE-Submodell, e) minimale Hauptspannung Nahtübergang Bild: Hochschule Anhalt
Lebensdaueranalyse einer Seilrolle;a) Auszug aus technischer Zeichnung, b) CAD-Halbmodell, c) FE-Viertelmodell, d) FE-Submodell, e) minimale Hauptspannung Nahtübergang Bild: Hochschule Anhalt

Generalüberholungen an Kranhubwerken sind bei entsprechender Protokollierung immer dann fällig, wenn die tatsächliche Nutzung S den Wert der theoretischen Nutzung D erreicht hat. Durch Aufwand und Umfang einer solchen Generalüberholung (GÜ) sind lange Stillstandzeiten unumgänglich, wodurch im Normalfall hohe Kosten anfallen. Auf der anderen Seite muss stets der für Mensch und Umwelt sichere Betrieb des Hubwerks gewährleistet werden.

In diesem Konflikt befindliche Betreiber von Krananlagen vertrauen häufig auf Lastkollektivspeicher, die sowohl die gehobenen Lasten als auch die zugehörigen Betriebsstunden protokollieren und als Ergebnis die geleisteten Volllastbetriebsstunden, d. h. die tatsächliche Nutzung S, ausgeben. Diese Ausgabe bildet dann für den Kranbetreiber die Entscheidungsgrundlage für die Planung einer Generalüberholung [1].

Die Volllastbetriebsstunden werden über den Faktor des Belastungsspektrums km berechnet:

siehe Formel (1)

Hierbei sind bi das Verhältnis aus der Last i zur Tragfähigkeit des Krans und g das Verhältnis aus der Totlast zur Tragfähigkeit. Weiter ist ti das Verhältnis aus der Laufzeit mit Last i zur Gesamtlaufzeit T. Die Laufzeiten ergeben sich aus den spezifischen Hubwegen sowie der maximalen Hubgeschwindigkeit.

Damit ist die tatsächliche Nutzung S = km⋅T, die innerhalb einer „sicheren Betriebsperiode“ (S.W.P., safe working period) kleiner oder gleich der theoretischen Nutzung D ist. Letztere ist von der Einstufung des Hubwerks in entsprechende Triebwerkgruppen abhängig [2].

Belastungsszenarien und deren tatsächliche Nutzung

Zur Einschätzung der Aussagekraft von Volllastbetriebsstunden sei im Folgenden ein Gieß- und Chargierkran (Tragfähigkeit 400 t; Nutzlast 350 t) drei unterschiedlichen fiktiven Nutzungsszenarien ausgesetzt. Jedes Szenario ist definiert durch ein Kollektiv, bestehend aus den täglich gehobenen Hub- bzw. Hakenlasten mH sowie den Hubhäufigkeiten nH unter Berücksichtigung des zu jedem Hub gehörenden Hub- bzw. Hakenwegs sH (Tabelle 1).

Die Hakenlasten mH und die Hakenwege sH sind in jedem Szenario identisch, lediglich die Häufigkeiten nH variieren: vom ersten Szenario mit vorwiegend Volllasthüben bis zum dritten Szenario mit überwiegend geringen Lasten, die jedoch häufiger gehoben werden. Für alle Hübe wird die maximale Hubgeschwindigkeit vmax = 10 m/min angenommen. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Berechnung der Volllastbetriebsstunden (tatsächliche Nutzung S) zusammengestellt.

Die Einstufung des Krans nach FEM 9.511 [2] legt eine theoretische Nutzung D von 3.200 h zugrunde (3 m und sehr schweres Lastkollektiv), so dass nach 20 Jahren Betrieb eine Generalüberholung nach rd. sechs weiteren Jahren anstehen würde – und dies unabhängig vom durchlebten Szenario.

Lebensdauer einer Seilrolle nach FKM-Richtlinie

Nachfolgend soll ein konkretes Bauteil einer Lebensdaueranalyse unterzogen werden. Betrachtet wird eine Blechseilrolle bzw. die Schweißverbindung zwischen Nabe und Steg der Rolle, die sich im Rahmen einer Lebensdaueranalyse als kritisches Element erwiesen hat (Bild 1). Die Belastung der Seilrolle ergibt sich aus der wirkenden Seilkraft in Abhängigkeit von der Hublast. Die Berechnungsergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Lediglich im ersten Szenario ist die Schädigungssumme < 1, was einer Restnutzungsdauer von etwa einem Jahr entspricht. In den beiden anderen Szenarien ist die rechnerische Lebensdauer der Seilrolle bereits überschritten. Daraus lässt sich schlussfolgern:

  • Je nach Szenario ist die theoretische Restnutzungsdauer der Komponente deutlich geringer als die Anzahl der Volllaststunden es vermuten lässt bzw. ist diese bereits abgelaufen.
  • Die Szenarien liefern unterschiedliche Ergebnisse, obwohl die Anzahl der Volllaststunden nahezu identisch ist.

Die Beispielrechnung macht deutlich, dass die Beurteilung, ob das Hubwerk noch in einer S.W.P. betrieben wird, nicht allein auf der tatsächlichen Nutzung S beruhen sollte. Viele Betreiber sind sich dessen bewusst und veranlassen im Normalfall kurz vor Ablauf der theoretischen Nutzung D eine Restnutzungsdaueranalyse der Hubwerkkomponenten. Die dieser Analyse zugrunde liegende Hubwerkbelastung liegt dann jedoch nur in Form von Volllastbetriebsstunden vor, die nicht wieder in die spezifischen Belastungskenngrößen (Hublasten, Hubwege, Hubhäufigkeiten) umgerechnet werden können. Somit unterliegt den Analyseergebnissen eine u. U. nicht unerhebliche Unschärfe, was die dargestellte Berechnung belegt.

Aus diesem Grund wird nachfolgend ein messtechnisches Konzept vorgestellt, das mit einfachen Mitteln (Dehnungsmessstreifen, DMS) die Belastungskenngrößen eines Hubwerks (unabhängig von dessen Tragfähigkeit und Arbeitsweise) vollständig erfassen soll.

Konzept zur Erfassung der Belastungskenngrößen

Der Ansatz ist die Verformung der Seiltrommelbordscheibe, die einer wechselnden Biegung ausgesetzt ist [4], d. h., ein Punkt der Bordscheibe durchläuft mit jeder Umdrehung derselben sowohl einen Zug-als auch einen Druckbereich (Bild 2 b und c). Die Hauptspannungsrichtungen in der Bordscheibe (Bild 2 b) verlaufen radial, weshalb eine wie im Bild 2 d angeordnete DMS-Vollbrücke ein sinusförmiges Signal liefert: Nach der dargestellten Ausgangsposition der DMS (neutrale Faser) durchlaufen DMS1 und DMS3 bei Rechtsdrehung zunächst den Druckbereich (negative Dehnung), während DMS2 und DMS4 den gegenüberliegenden Zugbereich (positive Dehnung) durchqueren (Bild 2 c und e).

In die Brückenverstimmung bzw. die messbare Spannung

siehe Formel (2)

gehen die Dehnungen ε1 und ε3 positiv sowie ε2 und ε4 negativ ein, weshalb das Signal nach einer Viertelumdrehung das Minimum liefert. Grundsätzlich weist das Signal folgende Eigenschaften auf:

  • Eine Periode entspricht einer Umdrehung der Seiltrommel.
  • Die Amplitude ist proportional zur Seilkraft und zur Seilablaufposition:

abnehmende Amplitude: Seilablaufposition entfernt sich von der Bordscheibe → Seil wird aufgewickelt (Last wird gehoben)

abnehmende Amplitude: Seilablaufposition entfernt sich von der Bordscheibe → Seil wird aufgewickelt (Last wird gehoben)

steigende Amplitude: Seilablaufposition nähert sich der Bordscheibe → Seil wird abgewickelt (Last wird gesenkt)

Wechsel zwischen abnehmender und steigender Amplitude → Wechsel zwischen Heben und Senken.

  • Mithilfe von Referenzmessungen mit bekannter Last lässt sich der lineare Zusammenhang zwischen Last und Amplitude ermitteln.

Somit ermöglicht die Verarbeitung des Signalverlaufs eine kontinuierliche Erfassung aller relevanten Belastungskenngrößen des Hubwerks.

Zusammenfassung und Ausblick

Im Spannungsfeld zwischen dem Wunsch nach maximaler Verfügbarkeit auf der einen und größtmöglicher Sicherheit auf der anderen Seite sind Kranbetreiber auf verlässliche Aussagen zur theoretischen Restnutzungsdauer von Hubwerkkomponenten angewiesen. Hierzu bietet das vorgestellte Konzept eine vielversprechende Möglichkeit, belastbare Aussagen zur Arbeitsweise des Krans bzw. des Hubwerks als Grundlage für Lebensdauerberechnungen zur Verfügung zu stellen. Alle relevanten Kenngrößen lassen sich aus dem Signalverlauf ableiten und direkt in weiterführende Berechnungen integrieren. Auf diese Weise können Betreiber den aktuellen Zustand ihrer Hubwerke deutlich besser einschätzen und verfügen somit über mehr Planungssicherheit in Bezug auf erforderliche Instandsetzungsmaßnahmen.

Literaturhinweise

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

  • Fédération Européenne de la Manutention (FEM)/VDMA: FEM 9.511 – Einstufung der Triebwerke, 1986.

  • Fédération Européenne de la Manutention (FEM)/VDMA: FEM 9.755 – Maßnahmen zum Erreichen sicherer Betriebsperioden von motorisch angetriebenen Serienhubwerken (S.W.P.), 1993.

  • Kraitschy, H.: Beanspruchung der Bordscheiben von Seiltrommeln. Universität Rostock, Dissertation 1973.

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

Stephan Voigt

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

Christopher Kral

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

Dr.Ing. Arne Goedeke
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Was Volllastbetriebsstunden aussagen
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