Online-Erfassung des Lastspektrums des Hubwerks von Laufkränen und Bewertung der verbleibenden Ermüdungslebensdauer

Das Lastspektrum des Hubwerks ist eine zentrale Eingangsgröße für die Bewertung der Ermüdungslebensdauer der Stahlkonstruktion eines Laufkrans. Die derzeitigen Wartungsstrategien legen meist feste Inspektionsintervalle entsprechend der Betriebsklasse (z. B. A5/A6/A7) fest, doch die Lastverteilung im tatsächlichen Betrieb variiert extrem stark – bei Kranen derselben Klasse können die tatsächlichen Ermüdungsschäden je nach Betriebsbedingungen um das 3- bis 5-fache variieren. Das KL-LOAD-SPEC-System installiert am festen Ende des Hubseils einen Bolzenkraftsensor (Genauigkeit ±0,51 TP3TFS) und erfasst in Verbindung mit den Signalen des Lastcodierers der SPS kontinuierlich die Last-Zeit-Verlaufsdaten jeder Last mit einer Abtastrate von 10 Hz. Das System führt automatisch eine Laufzahlzählung durch und erstellt eine Markov-Matrix. In Kombination mit dem kumulativen Schadensgesetz nach Miner wird der Verschleiß der Ermüdungslebensdauer von Hauptträger, Endträger und Seiltrommel bewertet.

Lasterfassung und Regenabflussmessung

Der Kraftsensor mit Bolzenausführung ersetzt den Originalbolzen am festen Ende der Hubseilrolle und ist aus 40CrNiMoA-Legierungsstahl gefertigt; der Sicherheitsfaktor beträgt ≥ 5,0 (sieheGB/T 3811-2008). Im Inneren des Sensors befindet sich eine Vollbrückenkonfiguration mit zwei Dehnungsmessstreifen (Empfindlichkeit 2,0 mV/V, Brückenspannung 10 V), wobei die Ausgänge der beiden Brücken sich gegenseitig kalibrieren, um die Zuverlässigkeit der Daten zu gewährleisten. Das Signal wird mittels eines 24-Bit-Σ-Δ-ADC digitalisiert und anschließend über Funk (LoRa, Frequenzband 470 MHz) an das Edge-Gateway übertragen.

Die Lastdaten von Krud Heavy Industry werden automatisch in ”Hubzyklen” unterteilt: Wenn die Hubkraft von Null auf >51 TP3T Nennlast ansteigt und dieser Zustand länger als 3 Sekunden anhält, wird dies als Beginn eines Hubzyklus gewertet; wenn die Last auf Null zurückfällt und dieser Zustand länger als 5 Sekunden anhält, wird dies als Ende des Zyklus gewertet. Für jeden Zyklus werden die Spitzenlast, die Tiefstlast (möglicherweise auftretende negative Stoßwerte beim Entladen), die Dauer und die Betriebsgeschwindigkeitsstufe aufgezeichnet. Der Sensor speichert lokal etwa 2 MB Daten pro 24 Stunden und überträgt diese über 4G an die Cloud-Plattform. Zur Zählung der Hubzyklen wird die Dreipunktmethode zur Erfassung von Voll- und Halbzyklen verwendet; die 128×128-Markov-Matrix aus Amplitude und Mittelwert wird für jede Laufkrananlage einmal täglich aktualisiert.

S-N-Kurve und Berechnung der kumulativen Ermüdungsschäden

Im Mittelpunkt der Bewertung der Ermüdungslebensdauer steht die Umwandlung des zeitlichen Belastungsverlaufs in Ermüdungsschäden. Das System verwendet die lineare kumulative Schadensregel nach Miner: D = Σnᵢ/Nᵢ, wobei nᵢ die tatsächliche Anzahl der Zyklen bei der i-ten Spannungsamplitude σᵢ und Nᵢ die zulässige Anzahl der Zyklen bei der entsprechenden Spannungsamplitude (abgeleitet aus der S-N-Kurve) ist. Die S-N-Kurven für die in Stahlkonstruktionen von Laufkränen üblicherweise verwendeten Stahlsorten Q235B und Q355B entsprechen der Norm GB/T 30024-2013, mit einer Ermüdungsklasse von FAT 125 bis 160 (entsprechend einer Spannungsamplitude von 125 bis 160 MPa bei 2 × 10⁶ Zyklen). Die S-N-Kurve bei NIm Bereich bis <10⁷ nimmt die Kurve mit einer Steigung von m = 3 ab und verläuft ab N ≥ 10⁷ horizontal (Ermüdungsgrenze ca. 0,55 × FAT). Bei Schweißverbindungen wird gemäß den Empfehlungen der IIW der FAT-Wert um eine Stufe herabgesetzt (z. B. von FAT 125 auf FAT 100).

Die kumulierten Schäden jedes Laufkrans werden monatlich aktualisiert und in Form einer Kanban-Tafel dargestellt, auf der die verbleibende Ermüdungslebensdauer in Prozent für die drei Schlüsselbereiche – Mitte des Hauptträgers, Verbindungsbereich der Endträger und Trommel – angezeigt wird. Bei einem kumulierten Verschleiß D ≥ 0,5 (entspricht einem Lebensdauerverlust von 501 TP3T) wird eine gelbe Warnung ausgelöst; bei D ≥ 0,8 wird eine orangefarbene Warnung ausgelöst, und es wird empfohlen, innerhalb von sechs Monaten eine umfassende Fehlerprüfung und eine strukturelle Bewertung durchzuführen. Gleichzeitig erfasst das System die Häufigkeit und das Ausmaß jedes Überlastungsvorfalls (> 1.101 TP3T Nennlast) – eine einmalige Überlastung von mehr als 601 TP3T entspricht einer Schadensäquivalenz von 10.000 normalen Vollastzyklen und ist der Hauptfaktor für den Abbau der Ermüdungslebensdauer. Bei einem 32-t-Laufkran in einem Stahlwerk wurde 18 Monate nach Inbetriebnahme des Systems festgestellt, dass der tatsächliche Ermüdungsschaden bereits 821 TP3T der Auslegungslebensdauer betrug (berechnet nach der Betriebsklasse A7 hätte der Verbrauch nur etwa 301 TP3T betragen dürfen); Ursache waren häufige Überlastungen (durchschnittlich 12 Überlastungen pro Tag). Daraufhin wurde der Arbeitsablauf angepasst und die Belastung der Laufkräne reduziert.

Neubewertung der Anwendungsszenarien und Arbeitsstufen

Das Lastspektrum-System KL-LOAD-SPEC eignet sich für die Bewertung der Ermüdungslebensdauer verschiedener Kranhubwerke und deckt die vier Betriebsklassen A5 bis A8 ab. Bei der Konstruktion von Laufkränen wird die Betriebsstufe entsprechend der vorgesehenen Nutzungsstufe und den Lastbedingungen ausgewählt, doch weichen die tatsächlichen Betriebsbedingungen oft erheblich von den Auslegungsannahmen ab: Unterschiedliche Betriebsgewohnheiten in verschiedenen Werkhallen und bei verschiedenen Schichten können dazu führen, dass der tatsächliche Lastspektrumkoeffizient Kp um eine oder sogar zwei Stufen vom Auslegungswert abweicht. Beispielsweise wurde bei einem Gießereikran der Klasse A5 in einem Stahlwerk nach der Inbetriebnahme festgestellt, dass der tatsächliche Kp-Wert 0,5 betrug (was der Klasse A7 entspricht). Dies bedeutet, dass die nach dem A5-Standard festgelegten Inspektionsintervalle deutlich hinter der tatsächlichen Schadensrate zurückbleiben. Das System berechnet monatlich den tatsächlichen Kp-Wert (Kp = Σ(Pᵢ/Pₘₐₓ)³ × tᵢ/T) und vergleicht ihn mit dem Auslegungs-Kp-Wert. Wenn der tatsächliche Kp-Wert die Obergrenze der aktuellen Betriebsstufe überschreitet, wird automatisch eine Empfehlung zur Neubewertung der Betriebsstufe ausgelöst.

Neben der Neubewertung der Belastungsstufe unterstützt das System auch die koordinierte Überwachung mehrerer Aufhängepunkte: Bei Hubvorrichtungen mit zwei Laufkatzen oder zwei Winden erfasst jedes System die Lastdaten unabhängig, nutzt jedoch ein gemeinsames Bewertungsmodell. Die Ermüdungslebensdauer im mittleren Bereich des Hauptträgers wird anhand des Spannungsverlaufs nach Überlagerung der beiden Lasten berechnet, während der Anschlussbereich am Endträger unter den ungünstigsten Bedingungen einer einseitigen Belastung überprüft wird. Bei einem 40-t-Portalkran in einem Hafen wurde nach der Aufrüstung auf KL-LOAD-SPEC festgestellt, dass die Ermüdungsabnutzung der Trommel 2,3-mal so hoch ist wie die des Hauptträgers (Hauptträger D = 0,28, Trommel D = 0,64). Der Grund dafür ist, dass die Trommel einer größeren Spannungskonzentration ausgesetzt ist. Daraufhin wurde gezielt die Häufigkeit der monatlichen zerstörungsfreien Prüfungen an der Trommel erhöht, anstatt eine einheitliche Generalüberholung des gesamten Hubwerks durchzuführen, wodurch Wartungskosten in Höhe von etwa 401 TP3T eingespart wurden. Das Lastspektrum-System von Krude Heavy Industry wurde bereits auf über 80 Laufkränen installiert und hat kumulativ Daten von mehr als 2 Millionen Hubvorgängen erfasst.

Dienstgrade und Bewertungskriterien

Einbau, Kalibrierung und Wartung von Sensoren

Der Einbau des Bolzen-Kraftsensors erfolgt durch den direkten Austausch des Originalbolzens am festen Ende der Hubseilrolle, ohne dass die bestehende Konstruktion umgebaut werden muss. Zu den wichtigsten Montageanforderungen gehören: Ein Passungsspiel von ≤ 0,05 mm (Toleranz H7/g6) zwischen Bolzen und Bohrung in der Halterung, die Verlegung des Sensorkabels durch die zentrale Bohrung des Bolzens (Durchmesser 8 mm) zum Anschlusskasten sowie die Montage des Funkmoduls in der Schutzabdeckung am Ende des Bolzens (Schutzart IP67). Nach der Montage sind eine Nullpunktkalibrierung (Erfassung des Ausgangswerts im Leerlauf) und eine Vollbereichskalibrierung (Belastung mit einem Standardgewicht oder einem Hydraulikheber bis zur Nennlast von 100% und Erfassung des Ausgangswerts bei Vollbereich) durchzuführen. Der Sensor verfügt über eine integrierte Temperaturkompensation (Temperaturdrift ≤ 0,021 TP3T FS/°C im Bereich von −20 bis +85 °C) und gewährleistet so eine stabile Genauigkeit unter den üblichen Betriebsbedingungen des Laufkrans.

Im Hinblick auf Kalibrierung und Wartung führt das System alle 24 Stunden automatisch eine Nullpunktdriftprüfung durch: Wenn die Ausgangsspannung im Leerlauf um mehr als ±21 TP3 TFS vom ursprünglichen Nullpunkt abweicht, wird eine Aufforderung zur Nullpunktkalibrierung ausgelöst. Es wird empfohlen, alle sechs Monate eine Kalibrierung durch einen unabhängigen Dienstleister zur Überprüfung des vollen Messbereichs durchführen zu lassen. Das LoRa-Funkmodul (470-MHz-Band, Sendeleistung ≤ 17 dBm) hat in freier Umgebung eine Kommunikationsreichweite von ≥ 500 m, in einer Werksumgebung mit Stahlkonstruktion etwa 100 bis 200 m. Für Krananlagen mit großer Spannweite (≥ 30 m) sind optional Repeater erhältlich oder es kann auf den 4G-Direktübertragungsmodus umgestellt werden. Krued Heavy Industry bietet Fernwartungsdienste an, erstellt täglich automatisch Lasttrenddiagramme und das Wartungsteam erstellt monatlich Berichte zum Verschleiß der Lebensdauer, um den Anwendern zu helfen, den Sicherheitszustand der Krankonstruktion genau zu erfassen.

Vergleich der Wartungsmodi

Häufig gestellte Fragen