System zur Online-Überwachung des Zustands von Schienenklemmen für Laufkräne sowie zur Rückmeldung der Öffnungs- und Schließposition und zur Fernsteuerung

Die Schienenklemmen sind eine wichtige Sicherheitsvorrichtung, die den Laufkran vor Wind und Verrutschen schützt,GB/T 3811-2008 „Kernbestimmungen der Konstruktionsnorm für Krane“Es ist vorgeschrieben, dass Laufkräne im Freien mit Schienenklemmen oder Verankerungsvorrichtungen ausgestattet sein müssen. Herkömmliche Schienenklemmen sind auf die manuelle Bedienung und Sichtkontrolle durch das Bedienpersonal angewiesen, wodurch Risiken wie unzureichendes Festklemmen, unvollständiges Lösen und das Vergessen der Bedienung bestehen. Das KL-RAIL-CLAMP-System verfügt über einen magnetischen Winkelsensor (Auflösung 0,1°) an der Drehachse des Klemmarms der Schienenklemme sowie an den Klemmbacken sind Druck-Dünnfilmsensoren (Messbereich 0–50 kN, Genauigkeit ±1,51 TP3TFS) angebracht, und an der Schienenflanke sind induktive Endschalter (Erfassungsabstand 4 mm) installiert. Durch ein dreifach redundantes Überwachungskonzept wird eine 100% zuverlässige Erkennung des Öffnungs- und Schließzustands gewährleistet. Das System unterstützt sowohl die manuelle Fernsteuerung als auch die automatische Steuerung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit; die Reaktionszeit bei Störzuständen<2 Sekunden – bereits in über 20 Laufkränen in Häfen und Stahlwerken im Einsatz.

Systemaufbau und Sensorplatzierung

Das KL-RAIL-CLAMP-System verfügt bei jeder Schienenklemme über drei Sensoren. Der Winkelsensor (magnetischer Encoder, Auflösung 0,1°, Schutzart IP67) sind am Ende der Schwenkachse des Klemmarms angebracht und erfassen den Öffnungs- bzw. Schließwinkel des Klemmarms berührungslos mittels Magnet und Hall-Sensor – der Winkel im vollständig geöffneten Zustand beträgt 0° ± 2°, im vollständig geklemmten Zustand 45° bis 55° (abhängig vom Schienentyp). Der Klemmkraftsensor (Dünnschicht-Drucksensor, effektive Fläche Φ30 mm, Messbereich 0–50 kN, Genauigkeit ±1,51 TP3TFS) ist unterhalb der Gummiauflage an der Kontaktfläche zwischen Klemmbacke und Schiene angebracht. Die Auflage besteht aus NBR-Nitrilkautschuk (Dicke 10 mm, Shore-Härte 70A), die sowohl eine Klemmfläche mit einem Reibungskoeffizienten von ≥ 0,4 bietet als auch den Sensor vor direktem Kontakt mit der Metalloberfläche der Schiene schützt. Der Endschalter (induktiv, Erfassungsabstand 4 mm, Wiederholgenauigkeit 0,1 mm) ist an der Seite der Schiene an der Stelle angebracht, an der die Schienenklemme in ihre vollständig geöffnete Position ausfährt, und dient als mechanische Bestätigung der geöffneten Position.

Jede Sensorgruppe wird über einen wasserdichten Anschlusskasten der Schutzart IP67 in den Vor-Ort-Schaltschrank (Abmessungen 300 × 250 × 150 mm, Schutzart IP54) geführt, in dem eine SPS (Siemens LOGO! 8 oder ein inländisches Äquivalent) sowie ein 4G-DTU-Modul integriert sind. Die SPS ist für die Signalerfassung der drei Sensoren, die logische „Zwei-aus-Drei“-Auswertung sowie die festverdrahtete Verriegelung mit der Haupt-SPS des Raumfahrzeugs zuständig. Die Sensordaten werden gleichzeitig über Modbus RTU an das 4G-DTU-Modul übertragen und im 5-Sekunden-Takt an die Cloud-Plattform hochgeladen. Das dreifach redundante Design von Krued Heavy Industry gewährleistet, dass das System selbst bei Ausfall eines einzelnen Sensors (z. B. wenn ein Endschalter durch Fremdkörper blockiert ist) den tatsächlichen Zustand der Gleisklammer durch die logische Kombination der Winkel- und Kraftsensoren ermitteln kann; die Fehlertoleranz beträgt 99,971 TP3T. Die Umrüstung eines einzelnen Schienenklammers mit dem kompletten Satz an Sensoren und Steuerungen kann innerhalb von 4 Stunden abgeschlossen werden.

Erkennung der Öffnungs- und Schließposition sowie Überwachung der Klemmkraft

Die Erkennung der Öffnungs- und Schließposition erfolgt durch eine doppelte Überprüfung mittels Winkelsensor und Endschalter. Der Winkelsensor überwacht kontinuierlich den Öffnungs- und Schließwinkel der Klemmarme: Der normale Öffnungszustand liegt bei 0° ± 2° (der Abstand der Klemmbacken zur Schienenseite beträgt ca. 30 mm), der normale Klemmzustand bei 48° ± 5° (die Klemmbacken drücken fest gegen die Schiene). Befindet sich der Winkelwert im mittleren Bereich (5° bis 43°), wird dies als Fehlerzustand „halb geöffnet, halb geklemmt“ gewertet; das System gibt sofort eine gelbe Warnmeldung aus und sendet diese an die App auf dem Mobiltelefon des Bedieners. Der Endschalter wird ausgelöst, wenn der Schienenklemme vollständig geöffnet ist (Erfassungsabstand<4 mm Ausgang EIN) wird als elektrisches Bestätigungssignal in Reihe in den Freigabekreis für den Kranbetrieb geschaltet – wenn die Schienenklemme nicht vollständig geöffnet ist, schließt der Endschalter nicht, sodass die Antriebsschaltung des Kranwagens nicht mit Strom versorgt wird, wodurch Unfälle durch das Anfahren mit geklemmten Schienen von vornherein verhindert werden.

Der Klemmkraftsensor liefert in Echtzeit Rückmeldung über die auf die Schiene wirkende Anpresskraft der Klemmbacken. Die sichere Klemmkraft wird anhand des Eigengewichts des Laufkrans und der Betriebsklasse berechnet. Am Beispiel eines 32-t-Portalkrans beträgt die Mindestklemmkraft pro Schienenklemme ≥ 15 kN (entspricht einer Rutschkraft von ≥ 12 kN bei einem Reibungskoeffizienten von 0,4 und deckt die horizontale Windlast dieses Laufkrans bei Windstärke 6 ab). Das System ist auf eine untere Klemmkraftgrenze von 10 kN und eine obere Klemmkraftgrenze von 30 kN eingestellt: Liegt die Klemmkraft unterhalb der unteren Grenze, wird dies als unzureichende Klemmkraft gewertet (Verschleiß der Klemmbacken oder unzureichende Betätigung des hydraulischen/manuellen Mechanismus); liegt sie oberhalb der oberen Grenze, wird dies als zu starkes Festklemmen gewertet (was zu Schäden an der Schiene oder der Klemmbackenkonstruktion führen kann). Die Daten zur Klemmkraft dienen gleichzeitig zur Abschätzung des Verschleißgrades der Gummipolster der Klemmbacken – bei einer Kompression der Polster von >2 mm (erkennbar an einem Anstieg des Wertes des Winkelsensors bei gleichbleibender Klemmkraft) wird ein Austausch der Polster angezeigt. Das System erstellt alle 24 Stunden automatisch einen Zustandsbericht der Schienenklemme, der die Anzahl der Klemm- und Lösvorgänge des Tages, die durchschnittliche Klemmkraft sowie eine Statistik der außergewöhnlichen Ereignisse enthält.

Logik der Verknüpfung zwischen Fernsteuerung und Windgeschwindigkeit

Das KL-RAIL-CLAMP-System unterstützt zwei Betriebsmodi: die manuelle Fernsteuerung und die automatische Steuerung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Manueller Fernsteuerungsmodus: Der Bediener gibt über eine Smartphone-App oder eine Weboberfläche Befehle zum Festklemmen bzw. Lösen ein. Die Befehle werden über die Cloud-Plattform verschlüsselt an die SPS im lokalen Steuerkasten übertragen, woraufhin die SPS den Motor der elektrischen Schienenklemme (dreiphasig, 380 V, 0,55 kW) ansteuert, um die entsprechende Bewegung auszuführen. Das System verfügt über eine Sicherheitsverriegelung: Ein Befehl zum Festklemmen darf nur ausgeführt werden, wenn die Cloud-Plattform feststellt, dass sich der Laufkran derzeit im Stillstand befindet (Motorstrom = 0 und die Bremsen des Laufkrans sind betätigt); ein Befehl zum Lösen darf nur ausgeführt werden, wenn die Schienenklemme vollständig gelöst ist und der Endschalter geschlossen ist. Während des gesamten Vorgangs werden die Benutzer-ID des Bedieners, die Uhrzeit und das Ergebnis der Aktion protokolliert, wodurch ein manipulationssicheres Betriebsprotokoll entsteht.

Automatische Logik in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit: Das System ruft über die Cloud-Plattform die Daten der Windgeschwindigkeitsmesser auf dem Werksgelände ab (oder erfasst lokal das 4–20-mA-Signal der Windgeschwindigkeitsmesser). Wenn die Windgeschwindigkeit einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, wird die Klemmung automatisch ausgelöst. Es gibt zwei Schwellenwertstufen:

Schwellenwert der Stufe 1(Windgeschwindigkeit 15 m/s, entspricht Windstärke 7) – Löst eine gelbe Warnung aus und sendet in der App eine Benachrichtigung mit dem Hinweis ”Es wird empfohlen, sich festzuhalten”.

Schwellenwert der Stufe 2(Windgeschwindigkeit 20 m/s, entspricht Windstärke 8) – Löst einen Befehl zur automatischen Arretierung aus und veranlasst über die Haupt-SPS des Kranes die Sperrung des Laufkranbetriebs.

Sobald die Windgeschwindigkeit unter den Schwellenwert fällt und dieser Zustand ≥ 10 Minuten anhält, wird automatisch der Befehl zum Lösen ausgeführt. Gleichzeitig zeichnet das System die Gesamtzahl der Betätigungen der Schienenklemme auf (die Auslegungslebensdauer der elektrischen Schienenklemme beträgt ≥ 10⁵ Betätigungen); wenn die Gesamtzahl der Betätigungen 80% der Auslegungslebensdauer erreicht, wird eine Wartung empfohlen. Nach der Installation des Systems an einem 40-Tonnen-Portalkran in einem Hafen wurden während der Taifunsaison drei erfolgreiche automatische Klemmvorgänge durchgeführt (maximale Windgeschwindigkeit 23,5 m/s), wodurch die Sicherheit der Anlage gewährleistet und gleichzeitig das Risiko von Arbeitsunfällen durch manuelle Bedienung im Regen vermieden wurde.

Vergleich der Schienenklemmentypen und Umrüstungskonzepte

Vergleich verschiedener Messverfahren

Anwendungsszenarien und Projektbeispiele

Das KL-RAIL-CLAMP-System eignet sich für alle Freiluft-Laufkräne und Portalkräne, die mit Schienenklemmen ausgestattet sind, insbesondere für Küstenhäfen, in denen häufig Taifune auftreten, für Freiluftlagerplätze mit starken Windböen sowie für unbemannte, automatisierte Laufkran-Anwendungen. Das System ist mit drei Arten von Schienenklemmen kompatibel: manuelle Schraubklemmen, elektrische Schubstangenklemmen und hydraulische Klemmen. Für die Nachrüstung veralteter manueller Schienenklemmen bietet das System einen Elektrifizierungssatz (bestehend aus elektrischem Stellantrieb, Sensoren und Steuerung) an. Nach der Nachrüstung bleibt der manuelle Bedienhebel als Notfallreserve erhalten (beim Loslassen des Hebels wird der Stromkreis automatisch unterbrochen); die Nachrüstung kann innerhalb eines Arbeitstages abgeschlossen werden. Die Festigkeit der ursprünglichen mechanischen Konstruktion wird nicht verändert, und die Sicherheitszertifizierung der Anlage bleibt unbeeinträchtigt.

Bei der Umrüstung von acht manuellen Schienenklemmen an 40-Tonnen-Portalkranen in einem Küstenhafen kam es vor der Installation des Systems jährlich zu zwei bis drei Unfällen, bei denen die Motoren der Laufkatzen aufgrund nicht gelöster Schienenklemmen überlastet wurden und die Schutzschalter auslösten (Wartungskosten ca. 12.000 ¥ pro Vorfall). In den 12 Monaten nach der Umrüstung gab es keinen einzigen Unfall im Zusammenhang mit den Schienenklemmen. Während der Taifunsaison desselben Jahres (Juni bis September) löste das System fünfmal die automatische Verriegelung aus, wobei die maximale Windgeschwindigkeit bei der automatischen Verriegelung 28,5 m/s (Windstärke 10) betrug. In allen Fällen war die Verriegelung vor Eintreffen des starken Windes abgeschlossen, wodurch die Sicherheit der Portalkrane gewährleistet wurde. Die Hafenausrüstungsabteilung plant, alle verbleibenden 23 Portalkrane mit diesem System nachzurüsten. Das Schienenklemm-Überwachungssystem von Krud Heavy Industry ist bereits in insgesamt mehr als 50 Laufkränen in sechs chinesischen Häfen und acht Stahlunternehmen im Einsatz.

Häufig gestellte Fragen