Kabelbruchdiagnose bei einem Kran

Die Erfindung betrifft einen Kran und ein Verfahren zum Betreiben eines Kranes, aufweisend ein Basisteil mit einem verschwenkbaren und teleskopierbaren Ausleger mit zumindest einem weiteren Auslegerelement, wobei ein Längenwinkelgeber vorgesehen ist, der zumindest ein Kabel aufweist, mit dem die Länge des teleskopierbaren Auslegers erfasst wird, und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kranes, gemäß den jeweiligen Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.

Krane mit verschwenkbaren, verdrehbaren und teleskopierbaren Auslegern, die mehrere Auslegerelemente aufweisen, sowie vergleichbare Arbeitsfahrzeuge mit in ihrer Länge veränderbaren Arbeitselementen (sodass die Erfindung nicht nur auf Krane mit teleskopierbaren Auslegern, sondern allgemeint auf solche Arbeitsfahrzeuge bezogen ist) sind bekannt. Bei einem Mobilkran ist beispielsweise ein Basisteil vorhanden, mit dem der Kran über Straßen und dergleichen zu seinem Arbeitseinsatzort gebracht werden kann. Auf diesem Basisteil ist oftmals ein Drehteil angeordnet wobei entweder auf dem Basisteil oder auf dem Drehteil ein Ausleger angeordnet ist. Damit der Kran flexibel arbeiten kann, besteht der Ausleger aus einem Teil, welches direkt verschwenkbar an dem Basisteil oder an dem Drehteil befestigt ist und weitere Auslegerelemente aufweist. Diese Auslegerelemente können axial in ihrer Lage zueinander verändert werden, sodass dadurch die Länge des Auslegers verändert (teleskopiert) werden kann. Für den Betrieb, insbesondere aber auch für die Sicherheit des Betriebes des Kranes, ist es unerlässlich, die jeweils eingestellte Länge des Auslegers zu kennen, da in Abhängigkeit der Auslegeriänge die Last, die noch sicher angehängt werden kann, ermittelt werden muss. So ist vereinfacht ausgedrückt die Last bei voll ausgefahrenem Ausleger und flachem Anstellwinkel zur Basis deutlich geringer, als wenn der Ausleger eingefahren und zum Beispiel nahezu senkrecht in Bezug auf das Basisteil verschwenkt wurde. Um den insbesondere sicherheitsrelevanten Betrieb eines solchen Kranes sicherzustellen, sind schon sogenannte Längenwinkelgeber (LWG) bekannt geworden. Mit diesen Längenwinkelgebern wird zum einen der Anstellwinkel des Auslegers in Bezug auf das Basisteil (bzw. den Boden) erfasst und gleichzeitig auch die Länge des teleskopierten Auslegers erfasst. Dazu wird mit dem Ausfahren des Auslegers und seiner Auslegerelemente ein Seil, welches im Regelfall an der Spitze des letzten Auslegerelementes befestigt ist, mit ausgefahren und die ausgefahrene Länge des Seiles durch den Längenwinkelgeber in an sich bekannter Weise erfasst. Durch die erfasste Länge und den Anstellwinkel des Auslegers können diese Parameter in eine entsprechende Steuervorrichtung des Kranes eingehen und beim Betrieb derart berücksichtigt werden, dass bei Übersteigen unzulässiger Längen bzw. Winkel der Betrieb des Kranes unterbunden wird oder zumindest ein Warnhinweis erfolgt. Da der Längenwinkelgeber mit seinen Elementen ein sicherheitsrelevantes Bauteil darstellt, ist es erforderlich, Maßnahmen zu ergreifen, dass bei der Erfassung und Übermittlung der Ausgangssignale des Längenwinkelgebers, die die Länge und den Anstellwinkel des Auslegers repräsentieren, keine Fehler auftreten bzw. dass die Zurverfügungstellung der Signale für die nachgeschaltete Steuervorrichtung immer gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kran sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kranes (bzw. allgemein einer Arbeitsmaschine mit längenveränderbaren Arbeitselementen) bereitzustellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll jederzeit ein sicherer Betrieb des Kranes gewährleistet sein bzw. für den Fall, dass dieser sichere Betrieb nicht mehr gewährleistet ist, dann rechtzeitig ein Warnhinweis gegeben wird.

Die Erfindung ist bezüglich des Kranes erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein dem Kabel zugeordneter Kraftsensor vorgesehen ist, mit dem die auf das Kabel in seine axiale Ausrichtung wirkende Kraft erfasst wird. Dadurch ist sichergestellt, dass immer dann, wenn mit dem Kraftsensor eine vorgebbare auf das Kabel wirkende Kraft erfasst wird, das Kabei noch seine Funktion ausführt und zum Beispie! nicht gerissen ist. Sollte es beschädigt sein, gerissen sein oder dergleichen, wird eine von dem vorgegebenen Wertebereich für eine zulässige Kraft abweichende Kraft ermittelt, die von dem Kraftsensor an eine nachgeschaltete Steuereinrichtung abgegeben wird. Diese Steuervorrichtung wertet die Kraft aus und kann zum Beispiel einem Kranführer signalisieren, dass nicht mehr ein sicherer Betrieb des Kranes möglich ist. Dieser kann dann entweder manuell oder auch automatisiert durch die Steuervorrichtung entsprechend reagieren. Aufgrund der Kraftmessung (auch als Kabelspannung zu bezeichnen) ist es somit möglich, insbesondere bei zu hohen Kräften (Verklemmung des Kabels, Bruch oder dergleichen) oder auch bei zu niedrigen Kräften (insbesondere Schlupf) entsprechend zu reagieren, insbesondere den weiteren Betrieb des Kranes zu unterbinden.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Kabel ein Stahlseil und/oder ein elektrisches Kabel. Wenn es sich bei dem Kabel um ein Stahlseil handelt, biete die Erfindung die einfache Möglichkeit, jetzt schon vorhandene Längenwinkelgeber mit Stahlseilen mit dem Kraftsensor nachzurüsten. Hierzu ist es lediglich erforderlich, im Verlauf des Stahlseiles den Kraftsensor anzuordnen und dafür zu sorgen, dass dessen Ausgangssignal an eine Steuervorrichtung des Kranes übermittelt wird. Zusätzlich zu dem Stahlseil oder das Stahlseil ersetzend ist es denkbar, dass das Kabel ein elektrisches Kabel ist. Durch ein solches Kabel ist es in vorteilhafter Weise möglich, zum einen die Auslegerlänge zu erfassen und gleichzeitig über die elektrischen Leiter des elektrischen Kabels Signale zu übertragen. Hier ist insbesondere der Vorteil zu nennen, dass zum Beispiel der Kraftsensor mit seinem einen Ende an der Spitze des Auslegers angeordnet und mit seinem anderen Ende an dem Ende des elektrischen Kabels angeordnet ist. Da sich damit der Kraftsensor am vom Basisteil oder Drehteil am weitesten entfernten Punkt befindet und die Steuervorrichtung im Regelfall in dem Basisteil oder dem Drehteil des Kranes angeordnet ist, können die Signale des Kraftsensors über das elektrische Kabel an die Steuervorrichtungen übermittelt werden.

In Weiterbildung der Erfindung sind Mitte! vorgesehen, mit denen der Kraftsensor ein eine auf das Kabel wirkende Kraft darstellendes Signal an eine Steuervorrichtung des Kranes übermittelt. Diese Mittel können, wie vorstehend schon erwähnt, zum Beispiel das elektrische Kabel sein, welches somit zwei Funktionen erfüllt. Zum einen wird mit ihm durch abwickeln auf dem Längenwinkelgeber die Länge des teleskopierbaren Auslegers erfasst und gleichzeitig werden die auf das Kabel wirkenden Kräfte, genauer die Signale des Kraftsensor, an die weiter entfernt angeordnete Steuervorrichtung übertragen. Ergänzend oder alternativ dazu können die Mittel als drahtlose Übermittlungsmittel ausgebildet sein, sodass die Ausgangssignale des Kraftsensors drahtlos (zum Beispiel über Funkt) an die Steuervorrichtung übertragen werden.

Hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben eines Kranes ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mit einem dem Kabel zugeordneten Kraftsensor die auf das Kabel in seine axiale Ausrichtung wirkende Kraft erfasst wird. Die erfasste Kraft kann dabei in unterschiedliche Bereiche eingeteilt werden. Bei einem Bereich handelt es sich um solche Kräfte, die auf das Kabel wirken, die zulässig sind und andererseits handelt es sich um Bereiche (insbesondere Bereiche unterhalb und/oder oberhalb des zulässigen Bereiches), die allgemein ein Problem mit dem Kabel, zum Beispiel Schlupf, Verklemmung, Bruch oder dergleichen, repräsentieren. Durch die auf das Kabel wirkende Kraft, die erfasst wird, kann somit in vorteilhafter Weise der sichere Betrieb des Kranes gewährleistet werden, wenn sich die erfasste Kraft in einem zulässigen Bereich befindet. Weicht die Kraft von einem solchen zulässigen Bereich ab, können entsprechende Maßnahmen von einem eingeschränkten Betrieb des Kranes bis zu einer vollständigen Unterbindung seines Betriebes ergriffen werden.

In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Erfassung der Kraft auf das Kabel mittels des Kraftsensors kontinuierlich (ständig, wobei auch eine intervallmäßige Erfassung denkbar ist), wobei weiterhin die Übermittlung des Ausgangssignals des Kraftsensors kontinuierlich oder diskontinuierlich an die Steuervorrichtung erfolgt, und dann, wenn ein übermitteltes Signal ausbleibt, von der Steuervorrichtung ein sicherheitskritischer Zustand erkannt wird. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Kraftsensor ordnungsgemäß funktioniert und ein auf das Kabel wirkendes Kraftsignal zur Verfügung stellt. Jedoch ist es auch wichtig, nicht nur die Zurverfügungstellung des Signals von der Steuervorrichtung überprüfen zu lassen, sondern auch sicherzustellen, dass die Übermittlung ordnungsgemäß erfolgt. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Übermittlung kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgt und von der Steuervorrichtung ein sicherheitskritischer Zustand erkannt wird, wenn zum Beispiel das kontinuierlich übermittelte Signal vollständig oder nach Überschreitung einer zulässigen Zeitgrenze ausbleibt. Die diskontinuierliche Übermittlung und Überwachung des Signals hat den Vorteil, dass damit Energie eingespart wird, weil nicht ständig eine Übermittlung des Signals erfolgen muss und auch nicht ständig von der Steuervorrichtung ein Empfang der diskontinuieriich übermittelten Signale erfolgen muss. So kann der Kraftsensor dazu ausgebildet und geeignet sein, ein die Kraft darstellendes Signal im Rahmen einer Impulsfolge über das Kabel und/oder drahtlos an die Steuervorrichtung zu übermitteln. Wenn diese Impulsfolge oder auch Teile der Impulsfolge ausbleiben, ist dies ein Signal für die Steuervorrichtung dafür, dass die Übermittlung nicht ordnungsgemäß stattgefunden hat. Bleibt eine Impulsfolge nur kurzzeitig aus, kann darauf geschlossen werden, dass die Übermittlung auch nur kurzzeitig unterbrochen war, sodass noch kein sicherheitskritischer Zustand erreicht ist. Wenn jedoch eine vorgebbare Zeitschwelle, innerhalb derer eine Impulsfolge hätte erfasst werden müssen, ausbleibt, ist dies ein Zeichen für eine nicht ordnungsgemäße Übermittlung, sodass daraufhin auf einen sicherheitskritischen Zustand geschlossen werden kann. Außerdem kann durch die Erkennung durch ein zeitlich begrenztes Wegbleiben der Impulsfolge auf Abnutzungszustände erkannt werden. Ein Bruch des Kabels wird durch ein vollständiges Wegbleiben der Impulse erkannt.

In Weiterbildung der Erfindung wird das übermittelte Signal von der Steuervorrichtung bewertet und beim Verlassen eines unkritischen Bereiches von der Steuervorrichtung ein sicherheitskritischer Zustand erkannt. Normalerweise befindet sich die Kraft, die auf das Kabel wirkt, und die von dem Kraftsensor erfasst wird, in einem bestimmten vorgebbaren Bereich. Dieser Bereich wird jedoch dann verlassen, wenn das Kabel gebrochen ist, verschleißt, Schlupf hat oder dergleichen, infolgedessen ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass das übermittelte Signal, das die auf das Kabel wirkende Kraft repräsentiert, von der Steuervorrichtung bewertet wird. Verlässt das von dem Kraftsensor zur Verfügung gestellte Signa! den unkritischen Wertebereich, kann von der Steuervorrichtung ein sicherheitskritischer Zustand erkannt werden. Im schlimmsten Fall handelt es sich um einen Kabelbruch, der zur Folge haben muss, dass sofort der Betrieb des Kranes eingestellt wird, da ein sicherer Betrieb nicht mehr gewährleistet ist. Andererseits kann durch diese Bewertung sichergestellt werden, dass zum Beispiel ein Verschleiß des Kabels erkannt wird und eine Trendanalyse durchgeführt wird. Infolge des Verschleißes kann sich der Sollwert der auf das Kabel wirkenden Kraft in Abhängigkeit von der Auslegerlänge verändern, sodass diese Veränderung zeitabhängig (insbesondere in Abhängigkeit der Betriebsstunden des Kranes) erfasst wird. Wenn also die Größe der auf das Kabel wirkenden Kraft darauf hindeutet, dass das übermittelte Signal einen unkritischen Bereich demnächst verlässt oder gerade verlassen hat, kann als sicherheitskritischer Zustand auch eine Wartung oder gegebenenfalls ein Austausch des Kabels erkannt werden.

In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Übermittlung des Signals redundant. Die redundante Übermittlung des Signals erfolgt dabei entweder nur über das als Datenkabel ausgebildete Kabel, oder nur drahtlos (über zwei voneinander unabhängige Funkstrecken) oder über das als Datenkabel ausgebildete Kabel und drahtlos. Damit stehen mehrere Möglichkeiten für die redundante Übermittlung der die auf das Kabel wirkende Kraft repräsentierenden Signale zur Verfügung. Für die redundante Übermittlung des Signals über zumindest einen Funkkanal stehen entsprechende Sende-Empfangseinheiten, die mit der Steuervorrichtung verschaltet sind, zur Verfügung, sodass diese Sende-Empfangseinheiten drahtlos mit der Steuervorrichtung die Signale austauschen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren 1 und 2 erläutert.

In Figur 1 ist, soweit im Einzelnen dargestellt, mit 1 ein Kran bezeichnet, der zum Beispiel ein Basisteil 2 (mit Antrieb für einen Fahrbetrieb) aufweist, auf welchem ein Drehteil 3 angeordnet ist. An dem Drehteil 3 ist ein verschwenkbarer Ausleger 4 (Basisausleger) angeordnet, der seinerseits weitere Auslegereiemente 5, 6 (auch nur ein zusätzliches Auslegerelement oder mehr als zwei Auslegerelemente) aufweist, sodass der Ausleger 4 mit seinen Auslegerelementen 5, 6 in an sich bekannter Weise teleskopierbar ist Das bedeutet, dass sich die Länge des Auslegers 4 bis 6 verändern kann, wobei diese veränderte Länge für den sicheren Betrieb des Kranes 1 erfasst werden muss. Um den Ausleger 4 in Bezug auf das Basisteil 2 bzw. das Drehteii 3 anstellen bzw. verschwenken zu können, ist beispielhaft ein Hydraulikzylinder 7 dargestellt. Ausgehend von einer nicht dargestellten Winde auf dem Drehteil 3 läuft ein Seil 8 (Kran-Seil) über die Spitze des Auslegerelementes 6 zu einem endseitig angeordneten Haken 9. Zur Erfassung der Länge des Auslegers 4 bis 6 und seiner Verschwenkung relativ zu dem Drehteii 3 bzw. dem Basisteil 2 ist im Prinzip dargestellt ein Längenwinkeigeber 10, dessen Aufbau an sich auch bekannt ist. Dieser Längenwinkeigeber 10 ist einerseits dazu geeignet und ausgebildet, den Winkel des Auslegers 4 in Bezug auf das Drehteii 3 bzw. das Basisteil 2 zu erfassen (hier nicht dargestellt). Mit 11 ist ein Ausgangssignal des Längenwinkelgebers 10 bezeichnet, das einer hier nicht dargestellten Steuervorrichtung übermittelt wird. Zur Erfassung der jeweiligen eingestellten Länge des Auslegers 4 bis 6 ist zwischen dem Längenwinkeigeber 10 und hier der Spitze des Auslegerelementes 6 ein Kabel 12 vorhanden. Dieses Kabel 12 wird bei vollständig eingefahrenen AusSegereiementen 5, 6 in dem Längenwinkeigeber 10 aufgerollt und kann beim Ausfahren der Auslegerelemente 5, 6 von einer Kabeltrommel in den Längenwinkeigeber 10 ausgerollt werden. Dieser Vorgang wird in an sich bekannter Weise von dem Längenwinkeigeber 10 erfasst, sodass das Ausgangssignal 11 nicht nur den Anstellwinkel des Auslegers 4 an die Steuervorrichtung übermittelt, sondern auch die jeweils eingestellte Länge des Auslegers 4 mit seinen Auslegerelementen 5, 6.

Zur Realisierung der Erfindung ist dem Kabel 12 ein Kraftsensor 13 zugeordnet, wobei sich dieser Kraftsensor 13 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 in dem Verlauf des Kabels 12 befindet und im Endbereich des Auslegerelementes 6 (d. h. in Richtung der Auslegerspitze) angeordnet ist. Dies ist jedoch nur ein Ausführungsbeispiel eines Kraftsensors 13 und seiner Anordnung, wobei auch andere Stellen im Verlauf des Kabels 12 denkbar sind. Während der Kraftsensor 13 gemäß Figur 1 die auf das Kabel 12 in seiner axialen Richtung wirkende Kraft direkt erfasst, kommen auch solche Kraftsensoren in Betracht, die die auf das Kabel 12 wirkende Kraft indirekt (zum Beispiel induktiv) erfassen. Außerdem können unter sicherheitsrelevanten Aspekten auch zwei gleiche oder voneinander unterschiedliche Kraftsensoren vorhanden sein. Das Kabel 12 ist entweder in sich bekannter Weise als Stahlseil ausgebildet, sodass es in diesem Fall erforderlich ist, die an der Auslegerspitze erfasste auf das Kabel 12 wirkende Kraft über geeignete Mittel (siehe hierzu Figur 2) zu übertragen. Wenn das Kabel 12 als Datenkabel ausgebildet ist, können auf einfache Art und Weise der Kraftsensor 13 an das Datenkabel angeschlossen und seine Signale in Richtung des Drehteiles 3 übermittelt werden, sodass in diesem Fall das Ausgangssignal 11 auch die auf das Kabel 12 wirkende Kraft enthält.

In Figur 2 ist in einer Prinzipdarste!lung gezeigt, wie die einzelnen erfassten Signale der Elemente des Kranes 1 an die Steuervorrichtung, hier mit 14 bezeichnet, übertragen werden können. An der Steuervorrichtung 14 ist der Längenwinkelgeber 10 mit seinem Ausgangssignai 11 angeschlossen. Außerdem sind eine Basisübermittlungsvorrichtung 15, eine Auslegerübermittlungsvorrichtung 16 und eine Hakenübermittlungsvorrichtung 17 vorhanden. Die

Basisübermittlungsvorrichtung 15 ist ebenfalls an der Steuervorrichtung 14 angeschlossen und dazu geeignet und ausgebildet, zumindest Signale zu empfangen, alternativ oder ergänzend dazu auch Funksignale abzugeben. Gleiches gilt für die beiden Vorrichtungen 16, 17, wobei die Auslegerübermittlungsvorrichtung

16 im Endbereich des Auslegereiementes 6 und die Hakenübermittlungsvorrichtung

17 im Bereich des Hakens 9 angeordnet sind. Mit der Vorrichtung 16, an die dann der Kraftsensor 13 angeschlossen ist, können die auf das Kabel 12 wirkenden Kräfte einfach oder redundant an die Basisübermittlungsvorrichtung 15 drahtlos übermittelt werden, damit diese Vorrichtung 15 die Signale des Kraftsensors 12 an die Steuervorrichtung 14 überträgt. Ergänzend dazu ist es auch noch denkbar, dass die Parameter des Hakens 9, insbesondere die daran angehangene Last, erfasst und mittels der Hakenübermittlungsvorrichtung 17 ebenfalls in besonders vorteilhafter Weise drahtlos entweder die Vorrichtung 16 oder direkt an die Basisübermittiungsvorrichtung 15 übertragen werden, um sie ebenfalls der Steuervorrichtung 14 zur Verfügung zu stellen. Die vorstehend genannten Datenübertragungen erfolgen, soweit aus technischer Sicht möglich und sinnvoll, immer einfach oder doppelt (redundant) drahtlos, wobei die Datenübertragung von der Auslegerübermittiungsvorrichtung 16 zu der Basisübermittiungsvorrichtung 15 auch redundant sowohl drahtlos als auch drahtgebunden (über das als Datenkabel ausgebildete Kabel 12) erfolgen kann. Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass, vorstehend die Erfindung anhand eines Kranes erläutert worden ist, die Erfindung auch geeignet und anwendbar ist auf alle Arbeitsfahrzeuge, die Arbeitsmittel aufweisen, die in ihrer Länge veränderbar sind, wobei die Länge der Arbeitsmittel insbesondere unter sicherheitsrelevanten Aspekten erfasst und ausgewertet werden muss.

Bezugszeichenliste:

1. Kran

2. Basisteil

3. Drehteil

4. Ausleger

5. Auslegerelemente

6. Auslegerelemente

7. Hydraulikzylinder

8. Seil

9. Haken

10. Längenwinkelgeber

11. Ausgangssignal

12. Kabel

13. Kraftsensor

14. Steuervorrichtung

15. Basisübermittlungsvorrichtung

16. Auslegerübermittlungsvorrichtung

17. Hakenübermittlungsvorrichtung