Katzfahrwerkrahmen Verformung prüfen & richten

Der Katzfahrwerkrahmen eines Brückenkrans ist die tragende Struktur für das Hubwerk (Elektromotor, Getriebe, Bremse, Trommel) und das Katzfahrwerk. Er besteht in der Regel aus einer geschweißten Rahmenkonstruktion aus H-Trägern oder Kastenträgern. Bei langfristigem Schwerlastbetrieb, häufigen Start-Stopp-Vorgängen und einseitiger Lastaufnahme kann es zu Verformungen des Rahmens kommen – etwa Verwerfungen der Ebene, Verzug der Diagonalen oder Absenkungen der Montageflächen. Die Folgen sind Spurkranzverschleiß, zunehmende Wellenausrichtungs-Abweichungen am Getriebe und eine nicht synchronisierte Bremsung. Eine frühzeitige Erkennung der Verformung und eine fachgerechte Korrektur im zulässigen Toleranzbereich sind entscheidend für den sicheren Kranbetrieb.

Dieser Artikel basiert auf den Anforderungen der Norm DIN 15018 – Allgemeiner Brückenkran sowie ISO 4301 – Krane; Einteilung und Anforderungen und beschreibt systematisch fünf Verfahren zur Erkennung von Rahmenverformungen, die Bewertungskriterien für zulässige Abweichungen, die Richtlinien für Flammrichten und mechanisches Richten sowie den abschließenden Prüfablauf nach der Korrektur.

Messverfahren zur Erkennung von Rahmenverformungen

Die Messung der Rahmenverformung erfolgt im unbelasteten Zustand. Die Laufkatze wird dazu in Feldmitte des Hauptträgers positioniert; Öl und Verschmutzungen auf der Rahmenoberfläche sind zuvor zu entfernen. Vor der Messung werden die Messflächen mit einer Drahtbürste oder einem Winkelschleifer gereinigt, um eine Oberflächengüte von Ra ≤ 6,3 μm sicherzustellen. Im Folgenden werden fünf Messverfahren für den Einsatz vor Ort und im Labor vorgestellt – aufsteigend nach Messgenauigkeit.

Messung mit dem Nivelliergerät – Mit einem automatischen Nivelliergerät der Klasse DS3 oder DL und einer Invarlatte werden fünf Messpunkte an den vier Ecken und in der Mitte des Katzfahrwerkrahmens festgelegt. An jedem Punkt wird dreimal gemessen und der Mittelwert gebildet; daraus werden die relativen Höhenkoten-Abweichungen berechnet. Die Ebenheitsmessung mit dem Nivelliergerät erreicht eine Genauigkeit von ±0,3 mm/m und eignet sich für die regelmäßige Inspektion sowie die schnelle Überprüfung kleiner und mittlerer Brückenkrane (Tragfähigkeit ≤ 50 t). Gemäß DIN 15018 darf die Diagonaldifferenz der Rahmenebene 5 mm und die Höhenkoten-Differenz an den vier Ecken 3 mm nicht überschreiten.

Messung mit dem Laser-Tracker – Mit einem Laser-Tracker (z. B. Leica AT960 oder API Radian) und Reflektorzielen (SMR) werden dreidimensionale Koordinatenpunkte auf der Oberseite des Rahmens und an den kritischen Montageflächen erfasst. Die Einzelpunktgenauigkeit beträgt 15 μm + 6 μm/m; die Ebenheit der gesamten Rahmenoberseite (ca. 2 m × 3 m) kann in weniger als 10 Minuten gemessen und als dreidimensionale Abweichungs-Heatmap in Echtzeit dargestellt werden. Dieses Verfahren eignet sich für die Werksabnahme großer Brückenkrane (Tragfähigkeit ≥ 50 t) sowie für die Präzisionsprüfung im Rahmen einer Generalüberholung. Es ermöglicht die gleichzeitige Bewertung mehrerer geometrischer Toleranzen wie Ebenheit, Parallelität und Rechtwinkligkeit.

Drahtzugverfahren – Mit einem 0,3 mm dicken Klaviersaitendraht, der mit einem 3-kg-Gewicht gespannt wird, werden die Diagonalen des Rahmens als Bezugslinien herangezogen. Mit einem Innenmessschraub-Messschieber wird der Abstand vom Draht zur Rahmenoberseite punktuell gemessen. Die Genauigkeit liegt bei etwa ±0,1 mm; die Ausrüstungskosten sind gering (das vollständige Set kostet weniger als 500 CNY). Dies ist die wirtschaftlichste und praktischste Lösung für die Erkennung von Diagonalverzug vor Ort. Der Nachteil ist die geringe Messgeschwindigkeit (ca. 30 Minuten pro Datensatz) sowie die Empfindlichkeit gegenüber Wind und Temperaturschwankungen.

Messung mit dem Tachymeter – Mit einem Tachymeter (z. B. Leica TS16 oder TS60) werden über die Methode der freien Standpunktwahl drei bis vier Kontrollpunkte um den Rahmen herum eingerichtet. Über das Prinzip der Polarkoordinatenmessung werden die dreidimensionalen Koordinaten der Messpunkte erfasst. Die Genauigkeit beträgt etwa ±1 mm + 2 ppm. Dieses Verfahren eignet sich für die berührungslose Fernmessung großer Rahmen mit einer Spannweite über 6 m. Mit geeigneter Messsoftware lassen sich automatische Ausgleichsberechnungen und grafische Berichte erstellen.

3D-Laserscanning – Mit einem handgeführten 3D-Scanner (z. B. Creaform HandySCAN 307, Genauigkeit ±0,05 mm, Auflösung 0,1 mm) wird die gesamte Rahmenoberfläche dreidimensional erfasst und ein hochauflösendes Punktwolkenmodell erzeugt (Punktabstand 0,2 mm). Mit Software wie Geomagic oder PolyWorks wird die Punktwolke mit dem CAD-Sollmodell verglichen; Abweichungen werden als farbcodierte 3D-Darstellung visualisiert, die Lage, Ausdehnung und Betrag der Verformung direkt erkennen lässt. Dieses Verfahren wird häufig in der Fertigung großer Schweißkonstruktionen und bei unabhängigen Prüfstellen eingesetzt, erfordert jedoch eine hohe Investition (ca. 300.000–500.000 CNY pro System).

Messverfahren im Vergleich: Genauigkeit und Einsatzbereiche

Die fünf Messverfahren unterscheiden sich in Genauigkeit, Effizienz, Kosten und Einsatzbereichen. Bei der Auswahl sind die Rahmengröße (Spannweite 2–8 m), die geforderte Messgenauigkeit (allgemeine Prüfung / Präzisionsmessung / Schiedsmessung) sowie die Bedingungen vor Ort (Innen-/Außenbereich, Temperaturschwankungen, Schwingungsbelastung) zu berücksichtigen. Die folgende Übersicht fasst die Genauigkeitsklassen und empfohlenen Gerätetypen zusammen:

Zulässige Verformung des Katzfahrwerkrahmens und Bewertungskriterien

Die Beurteilung von Verformungen am Katzfahrwerkrahmen muss gleichzeitig mehrere Normen berücksichtigen. Die Norm DIN 15018 (entspricht ISO 4306) legt die Fertigungs- und Abnahmestandards für Brückenkrane fest, insbesondere in Abschnitt 5.3 die geometrischen Toleranzanforderungen an den Katzfahrwerkrahmen. Die Norm EN 1090-2 (entspricht GB 50205-2020) enthält detailliertere Vorgaben für die zulässigen Verformungen geschweißter Stahlkonstruktionen. In der Praxis empfiehlt Kelude Schwerindustrie, interne Kontrollstandards anzuwenden, die um 30 % bis 50 % strenger sind als die nationalen Normen, um eine ausreichende Verformungsreserve für den Langzeitbetrieb zu gewährleisten.

Bewertung der Ebenheit – Als Grundlage dienen die Höhenkoten an den vier Ecken der Oberseite des Katzfahrwerkrahmens sowie am Mittelpunkt (insgesamt 5 Messpunkte). Die Differenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt ergibt die Ebenheitsabweichung. Eine Abweichung ≤ 3 mm gilt als zulässig, 3–5 mm ist akzeptabel, erfordert jedoch eine regelmäßige Erfassung. Bei Werten über 5 mm ist eine Korrektur bzw. Instandsetzung zwingend erforderlich. Überschreitet die Differenz der Diagonalmessungen 5 mm, deutet dies auf eine Torsionsverformung des Rahmens hin; in diesem Fall sind zunächst die Kehlnahtverbindungen an den vier Ecken auf Rissbildung zu prüfen.

Ebenheit der Montageflächen – Die Ebenheit der Getriebemontagefläche muss innerhalb eines Bereichs von 500 mm × 500 mm ≤ 0,5 mm betragen (gemäß DIN 15018) bzw. ≤ 0,3 mm (gemäß EN 1090-2, strengere Anforderung). Die Koaxialität der Lagergehäuse für die Trommellagerung muss ≤ 0,2 mm betragen; der Höhenunterschied der Mittellinien der beiden Lagergehäuse darf 0,15 mm nicht überschreiten. Die Ebenheit der Montagehalterung für die Bremse ist mit ≤ 0,1 mm/100 mm spezifiziert.

Flammrichten: Fachgerechte Durchführung nach DIN

Das Flammrichten nutzt die physikalischen Eigenschaften der Wärmeausdehnung von Stahl. Durch lokales Erhitzen wird eine Druckplastifizierung im erwärmten Bereich erzeugt, die nach dem Abkühlen Schrumpfspannungen induziert und so die Verformung korrigiert. Dieses Verfahren eignet sich für geschweißte Strukturbauteile aus Q235B (≈S235JR) oder Q345B (≈S355J2) mit einer Ebenheitsabweichung des Katzfahrwerkrahmens von 0,5 bis 5 mm. Das Flammrichten ist wirtschaftlich (keine großen Geräte erforderlich), stellt jedoch hohe Anforderungen an die Bedienungstechnik. Die drei Parameter – Heiztemperatur, Form der Heizzone und Kühlmethode – müssen strikt eingehalten werden.

Heiztemperaturregelung – Es wird eine neutrale Azetylen-Sauerstoff-Flamme verwendet. Die Heiztemperatur ist streng im Bereich von 600 bis 750 °C zu halten (die Stahloberfläche zeigt eine dunkle Kirschrotglut). Unterhalb von 550 °C ist die plastische Verformung unzureichend und der Richteffekt gering. Oberhalb von 850 °C vergröbert sich das Stahlkorn, was zu einem Abfall der mechanischen Eigenschaften führen kann (Reduzierung der Streckgrenze um 10 % bis 15 %). Die Temperatur wird kontinuierlich mit einem Infrarot-Thermometer (Genauigkeit ±2 °C) oder Temperaturmessstiften (TemPil 650 °C/700 °C/750 °C) überwacht. Bei Q345B (≈S355J2) sollte die maximale Heiztemperatur etwa 50 °C unter der von Q235B (≈S235JR) liegen (d. h. 550–700 °C), um ein übermäßiges Kornwachstum in der Wärmeeinflusszone zu verhindern.

Auswahl der Heizzone – Die Form der Heizzone wird je nach Verformungsart gewählt: ① Bei wellenförmiger Ebenheitsabweichung wird eine dreieckige Heizzone verwendet (Spitze zeigt in Richtung der Ausbeulung, Basisbreite 20–40 mm, Höhe 80–120 mm), der Abstand zwischen den Dreiecken beträgt 200–300 mm. ② Bei Längsbiegung wird eine bandförmige Heizzone eingesetzt (Breite 20–30 mm, Länge über die gesamte Verformungslänge), wobei 3 bis 5 Heizbänder gleichmäßig entlang der Bauteillänge angeordnet werden. ③ Bei Winkelverformung (durch Schweißschrumpfung verursacht) wird auf der Schweißnahtrückseite linienförmig erhitzt (Breite 8–12 mm), im Abstand von 15–20 mm zur Schweißnahtmittellinie. Die Erwärmung beginnt an der Stelle mit der größten Verformung und schreitet zu den Enden hin fort.

Kühlmethode – Nach dem Flammrichten wird in der Regel an Luft abgekühlt (Abkühlrate ca. 5–10 °C/min), um eine gleichmäßige Spannungsfreisetzung zu ermöglichen. Bei starken Verwerfungen mit einer Verformung von mehr als 3 mm kann die Abkühlung lokal beschleunigt werden, indem ein feuchtes Tuch (ausgewrungen, nicht tropfend) auf die auf 300–400 °C abgekühlte Heizzone aufgelegt wird, um eine höhere Schrumpfspannung zu erzeugen. Das direkte Besprühen mit Wasser zur Schockkühlung (Abkühlrate über 100 °C/min) ist jedoch strengstens untersagt, da dies zu einer Oberflächenhärtung des Stahls (Härteanstieg um HB50–80) und sogar zu Mikrorissen führen kann.

Mechanisches Richten mit Hydraulikwinde und Presse

Beim mechanischen Richten wird mit Hydraulikwinden, Spindelpressen oder speziellen Richtgeräten ein gegenläufiges Biegemoment auf das verformte Bauteil ausgeübt, um eine plastische Verformung und damit die Korrektur zu erreichen. Dieses Verfahren eignet sich für die Korrektur der seitlichen Durchbiegung und der Vorbiegung von Trägerbauteilen (z. B. Hauptträger und Querträger des Katzfahrwerkrahmens) sowie für starke Verwerfungen über 5 mm ohne Schweißrissbildung. Im Vergleich zum Flammrichten verändert das mechanische Richten das Gefüge des Materials nicht, stellt aber höhere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Ausrüstung.

Schrittweise Belastung und Haltezeit – Mit einer Hydraulikwinde (Nenndruck ≥20 MPa, Hub ≥100 mm) und starren Auflagern (temporäres Stützgerüst aus H-Trägern) wird eine Gegenkraft auf die verformte Stelle ausgeübt. Die Belastung erfolgt in 5 bis 6 Stufen, wobei jede Stufe 15 % bis 20 % der angestrebten Richtkraft hinzufügt. Nach jeder Belastungsstufe wird die Kraft 5 bis 10 Minuten gehalten, um eine vollständige Spannungsübertragung und -umverteilung zu ermöglichen. Die Gesamtbelastung darf 80 % der Streckgrenze des Werkstoffs nicht überschreiten (Q235B ≈188 MPa, Q345B ≈276 MPa), um ein lokales Ausknicken zu vermeiden. Die Überbiegung (gegenläufige Vorformung) wird mit dem 1,2- bis 1,5-fachen des Zielkorrekturbetrags angesetzt, um die elastische Rückfederung zu kompensieren.

Anordnung der Stütz- und Lastangriffspunkte – Die Zwei-Punkt-Abstützung mit einer Einzelkraft in der Mitte ist das gängigste Drei-Punkt-Biegeverfahren. Der Abstand der Stützpunkte beträgt 70 % bis 80 % der Länge des Verformungsbereichs. Auf den Auflagern werden 15–20 mm dicke Stahlbleche zur Verteilung der Kontaktspannung aufgelegt. Der Lastangriffspunkt liegt in der Mitte zwischen den Stützpunkten. Vor dem Aufbringen der Kraft wird eine 8–10 mm dicke Kupfer- oder Aluminiumplatte unter den Lastangriffspunkt gelegt, um eine Beschädigung der Bauteiloberfläche zu vermeiden. Bei starken Biegungen mit einer Verformung von mehr als 8 mm kann ein Vier-Punkt-Biegeverfahren (zwei Stützpunkte, zwei Lastangriffspunkte) angewendet werden, um im mittleren Bereich des Verformungsabschnitts eine reine Biegezone zu erzeugen und ein gleichmäßigeres Richtergebnis zu erzielen.

Spannungsarmglühen nach dem Richten – Nach dem mechanischen Richten sind im Bauteilinnern erhebliche Eigenspannungen vorhanden (bis zu 30 %–50 % der Streckgrenze), die abgebaut werden müssen. Empfohlen wird eine Vibrationsentspannung (VSR) über 30–45 Minuten. Die Erregerfrequenz wird im Bereich von 1/3 bis 2/3 der ersten Eigenfrequenz des Bauteils gewählt, die dynamische Spannung auf 10 %–20 % der Streckgrenze begrenzt. Falls keine VSR-Anlage verfügbar ist, kann eine natürliche Auslagerung (7–14 Tage) oder ein Niedertemperatur-Anlassen (Erwärmen auf 200–250 °C, 2 Stunden Haltezeit, anschließend im Ofen auf unter 150 °C abkühlen) durchgeführt werden.

Abnahme und Inbetriebnahme nach dem Richten

Nach Abschluss der Richtarbeiten ist eine systematische Überprüfung erforderlich, um sicherzustellen, dass Geometrie, Schweißnahtintegrität und Betriebsverhalten den Normen entsprechen, bevor die Anlage wieder in Betrieb genommen wird. Die Verifizierung erfolgt in drei Schritten: erneute Geometrievermessung, zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung sowie Leerlauf- und Lasttest.

Schritt 1: Erneute Geometrievermessung – Der Katzfahrwerkrahmen wird mit Messverfahren gleicher Genauigkeitsklasse wie bei der Erstmessung erneut vermessen. Die Ebenheitsabweichung muss wieder innerhalb der zulässigen Toleranzen liegen (Diagonalendifferenz ≤5 mm, Höhenkotenabweichung der vier Ecken ≤3 mm). Sollte die Abweichung nach dem Richten weiterhin über der Toleranz liegen, ist die Ursache der Restverformung zu analysieren (möglicherweise unzureichende Erwärmung, unzureichende Krafteinwirkung oder zu große elastische Rückfederung) und der Richtvorgang mit angepassten Parametern zu wiederholen. Ein wiederholtes Flammrichten an derselben Stelle sollte nicht mehr als dreimal erfolgen. Nach mehr als drei Versuchen ist der Austausch des Bauteils in Betracht zu ziehen.

Schritt 2: Zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung – Alle Schweißnähte und Wärmeeinflusszonen im Richtbereich sowie im umliegenden Bereich von 300 mm müssen einer zerstörungsfreien Prüfung unterzogen werden. Zur Erkennung innerer Fehler wird die Ultraschallprüfung (UT, nach ISO 17640, Prüfklasse B) eingesetzt. Zur Erkennung von Oberflächen- und oberflächennahen Rissen dient die Magnetpulverprüfung (MT, nach ISO 9934-1). Besonderes Augenmerk gilt den Rändern der Heizzonen, den Spitzen der dreieckigen Heizzonen und den Bereichen unterhalb der Stützpunkte der mechanischen Presse. Festgestellte Risse müssen ausgeschliffen und durch Schweißen repariert werden. Nach der Reparatur ist eine erneute UT- und MT-Prüfung durchzuführen.

Schritt 3: Leerlauftest und Lasttest – Nach dem Richten werden der Katzfahrwerkrahmen, die Hebe- und Katzfahrwerke wieder montiert. Zunächst ist ein Leerlauftest von mindestens 30 Minuten Dauer durchzuführen (Katzfahren über die gesamte Fahrbahn mindestens 10 Mal hin und zurück, Heben und Senken über den gesamten Hub mindestens 5 Mal). Dabei sind die Laufruhe, das Fehlen ungewöhnlicher Geräusche und Vibrationen zu prüfen. Nach bestandenem Leerlauftest folgt der Test mit Nennlast (Heben der Nennlast, Durchführen von mindestens 3 Lastspielen mit Heben, Senken und Katzfahren). Dabei ist die einwandfreie Funktion von Getriebe und Bremse sowie die Abwesenheit von sekundärer Verformung an den Montagehalterungen zu bestätigen. Nach bestandenen Tests sind Datum des Richtvorgangs, Messdaten und Testergebnisse zu dokumentieren und in die Anlagenakte aufzunehmen.

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