AKG Force Transducers Special Design

Kompetenzen

Kraftaufnehmer für Abstützzylinder

Kraftaufnehmer für unterschiedliche Krantypen und Abstützzylinder

Mobilkrane sind heute ein unverzichtbares Werkzeug für viele Aufgaben, bei denen Lasten gehoben werden müssen aber kein stationärer Kran vorhanden ist. Gerade große Modelle sind bei der Montage schwerer Teile, beispielsweise an Windenergieanlagen, im Einsatz. Eine optimale Abstützung soll verhindern, dass der Kran während des Hebens der Last umstürzt. Helfen kann dabei innovative Messtechnik in den Stützen.

Die Sicherheit ist ein wichtiger Aspekt in der Hebetechnik. Beim Einsatz von Mobilkranen sind aber immer wieder Unwägbarkeiten vorhanden, die im Vorfeld des Einsatzes genau abgeklärt werden müssen. Mit dem genauen Gewicht der Last und der notwendigen Ausladung kann der Kranbetreiber kalkulieren, welcher Mobilkran notwendig ist. Aber die genauen Bedingungen am Einsatzort – speziell der vorhandene Platz für den Kran und die Stabilität des Untergrunds – spielen ebenfalls eine große Rolle. Gleichzeitig soll natürlich auch die jeweils wirtschaftlichste Lösung zum Einsatz kommen. Einen überdimensionierten Kran für eine Aufgabe einzusetzen, würde nur unnötige Kosten verursachen. Bei der Vielzahl der Parameter sind Unfälle im Kranbetrieb nie ganz auszuschließen. Dies ist einer der Gründe, warum die Normen und Vorschriften in diesem Bereich ständig verbessert werden. Die genauen Sicherheitsvorschriften sind in der aktuellen Krannorm DIN EN 13000 festgelegt.

Sichere Abstützung

Mobilkran mit in den Abstützkraftgebern implementierten Kraftsensor

Ein Mobilkran verfügt über eine Abstützung, die üblicherweise aus vier hydraulischen Abstützzylindern besteht. Diese sind an Holmen montiert, die entweder ausgeschwenkt oder ausgefahren werden können. Die Abstützung sorgt dafür, dass die effektive Grundfläche des Mobilkrans vergrößert und dadurch eine hohe Tragfähigkeit erreicht wird. Zur weiteren Erhöhung der Standfestigkeit verfügen Mobilkrane außerdem am hinteren Ende des Kranaufbaus über Ballast, der variabel an die vorgesehene Traglast angepasst werden kann. Die mögliche Traglast des Krans ist vom Rüstzustand – also Ballast, Abstützung, Ausladung usw. – abhängig. Zur Ausstattung moderner Mobilkrane gehört außerdem heute eine Lastmomentbegrenzung, die ein Überlasten des Kranes verhindern soll. In Abhängigkeit vom Rüstzustand schaltet diese alle Kranbewegungen ab, die das Lastmoment weiter vergrößern würden. Üblich ist dabei, dass der Kranführer den Rüstzustand von Hand eingibt. Kann beispielsweise eine der Stützen nicht ganz ausgefahren werden, da nicht ausreichend Platz vorhanden ist, reduziert sich die maximale Last, egal in welche Richtung der Hub erfolgen soll. 

Messtechnik in den Abstützungen

Um eine flexiblere Handhabung der Lastmomentbegrenzung zu ermöglichen, ist eine exakte Kenntnis der Parameter des Rüstzustands insbesondere in der Abstützung notwendig. Beim Baumaschinenhersteller Liebherr suchte man daher nach einer Lösung, die in den Stützen auftretenden Kräfte im Betrieb zu erfassen, um so die Lastmomentbegrenzung zu optimieren. Durch die Messung der Abstützkräfte ist die Berechnung der Schwerpunktslage der sich ständig verändernden Krangeometrien möglich. Die Schwierigkeit besteht darin, dass ein Kraftaufnehmer in den Stützen ausschließlich die vertikalen Kräfte bestimmen soll. Bewegungen des Krans führen aber dazu, dass auch Querkräfte in die Stützen eingeleitet werden. Diese gilt es mit der eingesetzten Messtechnik wirkungsvoll zu eliminieren.

Um den sogenannten Abstütz-Kraft-Geber (AKG), der die Kräfte in den Stützen von Mobilkranen zuverlässig und genau erfasst, zu realisieren, hat man sich bei Liebherr für den Sensor-Spezialisten tecsis als Systempartner entschieden. „Neben dem Know-how, das tecsis im Bereich der Kraftmessung mitbringt, waren vor allem die Entwicklungskompetenz des Unternehmens ausschlaggebend für diese Entscheidung“, sagt Dipl.-Ing. Erwin Morath, der bei Liebherr für den Bereich Steuerungstechnik zuständig ist. tecsis als Spezialist für die Entwicklung und Fertigung von Kraftaufnehmern mit Dünnfilmtechnik war prädestiniert für diese Aufgabe, bei der es neben der technischen Entwicklung auch um die kostengünstige Produktion von Kraftaufnehmern in großen Stückzahlen ging. „Die Anforderungen an die Messtechnik waren bei dieser Anwendung sehr hoch“, erklärt Dipl.-Ing. (FH) Klaus Härle, der das Projekt als Produkt- und Key-Account-Manager bei tecsis betreut.

Für diese Aufgabe mussten Kraftaufnehmer für die unterschiedlichen Krantypen und Abstützzylinder in den Messbereichen von 300 kN bis 4.000 kN entwickelt, geprüft und gefertigt werden. Die Aufnehmer müssen eine Messgenauigkeit von besser 1 % aufweisen und gleichzeitig einen Querkraftanteil von bis zu 10% tolerieren.

Anforderungen an Sicherheit und Verfügbarkeit

Da es sich um sicherheitsrelevante Bauteile handelt, muss mit den Aufnehmern der Performance Level e (PLe) gemäß DIN EN ISO 13849-1 erreichbar sein um den notwendigen Performance Level der Gesamtmaschine hinreichend zu erfüllen. Gleichzeitig muss eine hohe Verfügbarkeit der Kraftaufnehmer gewährleistet sein. Auch die Umgebungsanforderungen an die Aufnehmer sind hoch. So muss die eingesetzte Technik im Temperaturbereich von -40 °C bis +80 °C arbeiten und gleichzeitig eine sehr hohe EMV-Festigkeit aufweisen. Sämtliche Anforderungen konnte das erfahrene Entwicklungsteam von tecsis erfüllen. Dabei war eine enge Abstimmung und Zusammenarbeit mit dem Steuerungsteam von Liebherr sowie mit externen Prüfstellen wie TÜV notwendig.

Von der Simulation zum fertigen Aufnehmer

Die größte Herausforderung bestand jedoch darin“, so Härle, „die Aufnehmer so zu konstruieren, dass der Einfluss der Querkräfte fast vollständig eliminiert werden kann.“ Auf Basis der Anforderungen erarbeitete die Entwicklungsabteilung von tecsis zwei Lösungsvorschläge aus. Die beiden Lösungsvorschläge wurden in Simulationsrechnungen überprüft. Dabei stand insbesondere der Einfluss, den die Querkräfte auf die Messgenauigkeit haben, im Blickpunkt. Aufgrund der Simulationen entschied man sich für eine Lösung mit spezieller Dünnfilmzellengeometrie als Sensorelement, die anschließend als Prototyp gebaut und weiteren Prüfungen im tecsis-Teststand und später am Kran unterzogen wurde. Besonders wichtig waren hierbei die Tests, bei denen der Einfluss von Querkräften untersucht wurde. Im Prüflabor von tecsis wurden die Aufnehmer dazu belastet, während die untere Bodenplatte auf einer schiefen Ebene angebracht war. Die Ergebnisse zeigten, dass die Messgenauigkeit auch dann besser als 1 % ist, wenn die Aufnehmer schräg belastet werden. Im nächsten Schritt wurden die Aufnehmer unter realen Bedingungen in den Stützen von Liebherr-Mobilkranen getestet. Auch dabei konnten die Prototypen unter Beweis stellen, dass die Messgenauigkeit in jedem Fall innerhalb der geforderten Grenzen bleibt.

Neues für die flexible Abstützbasis jetzt serienmäßig

Nach den erfolgreichen Tests musste das Produkt in die Serienfertigung überführt werden. In der Fertigung und der Qualitätskontrolle bei tecsis wurden dafür neue Maschinen und Anlagen bereitgestellt, um die Aufnehmer in Serie fertigen und prüfen zu können. Ein Beispiel ist die 42 t schwere und hochpräzise Kraftprüfmaschine mit einem Kalibrierbereich von 12.000 kN.

Bei dem Mobilkran LTM1750 wird das neue System zur Lastmomentbegrenzung mit dem Abstütz-Kraft-Geber zur Bauma erstmals serienmäßig angeboten. Durch das neue System kann die Lastmomentbegrenzung gemäß der aktuellen Situation erfolgen, was zu einer größeren Flexibilität beim Einsatz des Krans führt. Sowohl bei tecsis als auch bei Liebherr zeigt man sich vom Resultat des Entwicklungsprojekts sehr zufrieden.

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