Traglastbegrenzer für Krane: Sensorauswahl, Montage & Kalibrierung
Das Kran-Wiegesystem basiert auf fünf Sensortypen – Bolzensensor, Druckkraft-Sensor, S-Typ-Zugkraft-Sensor, Plattenring-Sensor und hydraulischer Sensor – und arbeitet mit digitalen Anzeigen für die Echtzeitmessung der Hebelast und den Überlastschutz. Die Genauigkeit deckt die Klassen C3 bis C6 ab (Gesamtfehler ±0,02 % FS bis ±1 % FS) und ist damit ein zentrales Teilsystem für Sicherheitsaufsicht und Handelsabrechnung.
In modernen Hebezeugen hat sich das Wiegesystem von einem einfachen Überlastschutz zu einem zentralen Sicherheitssubsystem entwickelt, das Echtzeitmessung, Datenprotokollierung und Fernüberwachung integriert. Gemäß der Sicherheitstechnischen Sondervorschrift für Sonderausrüstung (TSG 51-2023) müssen Brückenkrane und Portalkrane mit einer Nenntragfähigkeit über 3 t mit einem Traglastbegrenzer ausgestattet sein. Für Anwendungen im Handelsverkehr oder in der Prozessmesstechnik ist zusätzlich die Erfüllung der Genauigkeitsklassen der internationalen Messempfehlung OIML R60 erforderlich. Dieser Artikel bietet einen systematischen Überblick über die Auswahlkriterien, Einbauvorschriften, Kalibrierverfahren und Fehlerbehebungsansätze für die fünf Sensortypen und dient als umfassende technische Referenz für Konstruktion, Auswahl und Wartung vor Ort.
Die Berechnungen dieses Konzepts folgen den Kernanforderungen der Norm DIN 15018 (Krane – Grundsätze für Stahltragwerke) und der Vorschrift TSG 51-2023 – Sicherheitstechnische Sondervorschrift für Sonderausrüstung und berücksichtigen die spezifischen Genauigkeitsanforderungen im Bereich der Wägetechnik. In der Praxis müssen bei der Auswahl des Wiegesystems auch die strukturelle Form des Hubwerks, das Lastvielfaches der Drahtseile und die Stoßbelastungseigenschaften der Last berücksichtigt werden.
Wiegesystem-Typen und Funktionsprinzip
Das Kran-Wiegesystem besteht aus vier Komponenten: Sensor, Messumformer, Anzeigegerät und Kommunikationsschnittstelle. Der Sensor wandelt die mechanische Größe der Last in ein elektrisches Signal um (Spannung im mV-Bereich oder Strom 4–20 mA). Dieses wird vom Messumformer verstärkt und gefiltert, anschließend im Anzeigegerät A/D-gewandelt und digital verarbeitet, um schließlich das aktuelle Gewicht auf einem 6-stelligen LED- oder LCD-Display anzuzeigen. Das Funktionsprinzip basiert auf dem Dehnungsmessstreifen-Effekt: Wenn der elastische Körper unter Last verformt wird, ändert sich der elektrische Widerstand der darauf aufgeklebten Dehnungsmessstreifen. Über eine Wheatstone-Brücke wird ein Differenzspannungssignal ausgegeben, das proportional zur Last ist.
Je nach Einbauposition und Wirkungsweise des Sensors am Kran lassen sich zwei Hauptkategorien unterscheiden: direkte und indirekte Messung. Bei der direkten Messung (Druckkraft-Sensor, Bolzensensor) nimmt der Sensor die gesamte oder den größten Teil der Hublast direkt auf; die Genauigkeit kann die OIML-Klasse C6 erreichen und eignet sich für Handelsabrechnungen. Bei der indirekten Messung (S-Typ-Zugkraft-Sensor, Plattenring-Sensor) wird die Last über die Messung der Seilspannung abgeleitet; die Genauigkeit ist etwas geringer, aber der Installations- und Umbauaufwand ist minimal, was sich ideal für die Nachrüstung älterer Anlagen eignet. Hydraulische Wiegevorrichtungen leiten die Last aus dem Öldruck in einem Zylinder ab; sie bieten die höchste Stoßfestigkeit, jedoch ist die Auflösung stärker von Öltemperaturschwankungen beeinflusst.
Sensorauswahl und Genauigkeitsklassen
Die Genauigkeitsklassen von Wägezellen werden gemäß der internationalen Messempfehlung OIML R60 in die Stufen C1 bis C6 eingeteilt, wobei eine höhere Zahl eine höhere Genauigkeit bedeutet. Klasse C3 (Gesamtfehler ≤ ±0,02 % FS, Eichklassenteilung n=3000) ist der Standard für industrielle Anwendungen. Die Klassen C4 bis C5 (n=4000–5000) werden für höhere Genauigkeitsanforderungen verwendet, während Klasse C6 (n=6000) die Anforderungen für den Handel erfüllt. Bei der Auswahl ist Folgendes zu beachten: Die Nennlast des Sensors sollte das 1,2- bis 1,5-fache der maximalen tatsächlichen Last betragen, um Reserven für Stöße und Ermüdung zu schaffen. Zudem sollte der Sensor in einem Bereich von 20 % bis 80 % seiner Nennlast betrieben werden, um Nichtlinearitäten im Nullpunkt- und Vollausschlagsbereich zu vermeiden.
Bolzensensoren ersetzen direkt die Seilrollenachse oder Trommelwelle und decken einen Messbereich von 1 t bis 500 t ab. Sie benötigen keinen zusätzlichen Platz und sind wartungsfrei (Schutzart IP67), was sie zur gängigsten Lösung für Brücken- und Portalkrane macht. Druckkraft-Sensoren (Speichenradbauform) werden unter dem Katzfahrwerkrahmen oder dem Sockel der Umlenkrolle montiert; sie erreichen die höchste Genauigkeit bis Klasse C6 und eignen sich für Anwendungen wie Metallurgie-Brückenkrane, die präzise Messungen erfordern, benötigen jedoch einen speziell gefertigten Montagesockel. S-Typ-Zugkraft-Sensoren werden in Reihe am festen Ende des Drahtseils montiert; der Installationsaufwand ist minimal, was sie zur ersten Wahl für Elektroseilzüge und Krane mit kleiner Tragfähigkeit (≤ 20 t) macht. Plattenring-Sensoren werden an der Ausgleichs-Seilrolle montiert und bieten eine hohe Beständigkeit gegen Vibrationen und exzentrische Lasten; sie sind besonders für raue Umgebungen in Gießereien und Metallurgiebetrieben geeignet.
Wägezellen im Vergleich: Technische Parameter fünf Sensortypen
Die folgende Übersicht vergleicht fünf Typen von Kraftaufnehmern anhand der Kriterien Genauigkeit, Messbereich, Montageart, Einsatzbedingungen und Kosten. Sie unterstützt Konstrukteure bei der schnellen Vorauswahl geeigneter Sensoren.
| Sensor Typ | MessbereichBereich | GenauigkeitKlasse | Einbauposition | AnwendungKran | Kostenreferenz |
|---|---|---|---|---|---|
| Achszapfen | 1t~500t | C3~C5 (±0.02%) | Seilrollenachse/Trommelwelle | Brückenkran,Portalkran,Metallurgie | mittel |
| Druck(Speichen) | 0.5t~200t | C3~C6 (±0.015%) | Katzfahrwerkrahmen/festRolleunter dem Sitz | MetallurgieBrückenkran,Gießen | höher |
| SZugkraft | 0.1t~50t | C3 (±0.02%) | DrahtseilBefestigungEnde/Haken | Elektroseilzug,kleine Tragfähigkeit | niedrig |
| Plattenring | 1t~100t | C3 (±0.02%) | Ausgleichs-SeilrolleStelle | Metallurgie,Gießen | mittel |
| HydraulischAchszapfen | 10t~500t+ | ±1%FS | Zylinderdruckanschluss | Ultra-Großtonnage,Metallurgie | höher |
Montagevorschriften und Inbetriebnahme-Anforderungen
Die Montagequalität eines Wägesystems entscheidet maßgeblich über Messgenauigkeit und Lebensdauer. Bei der Installation von Bolzensensoren muss die Passung zwischen Bolzen und Bohrung im Toleranzfeld H7/g6 liegen; zu großes Spiel führt zu unerwünschten Biegemomenten und damit zu Messfehlern. Die Bolzenoberfläche ist gleichmäßig mit Molybdändisulfid-Fett zu schmieren, um Signalabdrift durch Verschleiß durch Mikrobewegungen zu vermeiden. Für den Einbau von Druckkraftsensoren wird eine Ebenheit der Auflagefläche von ≤0,05 mm/m gefordert. Die vier Befestigungsschrauben sind über Kreuz in drei Stufen auf das vorgeschriebene Drehmoment anzuziehen (bei M16 üblicherweise 120–150 N·m). Nach dem Anziehen darf die Nullpunktdrift des Sensors ±0,1 mV/V nicht überschreiten.
Bei S-Zugkraftsensoren müssen die Achsen der Gabelköpfe und des Drahtseils exakt fluchten; der zulässige Schrägstellungswinkel beträgt maximal ±3°. Andernfalls führen Querkräfte zu einem Anstieg der Nichtlinearität des Sensorausgangs um 5–10 %. Die Signalkabel aller Sensoren sind als paarig verdrillte Schirmleitungen auszuführen (Schirm einseitig am Anzeigegerät geerdet). Der Mindestabstand zu Stromkabeln beträgt: bei Strom ≤50 A mindestens 200 mm, bei 50–200 A mindestens 500 mm und bei ≥200 A mindestens 1000 mm. Signalkabel dürfen nicht in gemeinsamen Kabelkanälen mit Frequenzumrichter-Ausgangsleitungen verlegt werden, um Störeinflüsse durch hochfrequente PWM-Oberschwingungen und daraus resultierende Anzeigeschwankungen zu vermeiden.
Die Inbetriebnahme am Anzeigegerät erfolgt in zwei Schritten: Nullpunkt- und Spannenkalibrierung. Für die Nullpunktkalibrierung wird der Haken in die unterste Position ohne Last abgesenkt und die Taste „Null“ am Gerät betätigt, sodass die Anzeige 0 zeigt. Für die Spannenkalibrierung wird ein Standardgewicht (mindestens 50 % der Nennlast, empfohlen 80–100 %) angehoben und nach einer Stabilisierungszeit von 10 Sekunden das tatsächliche Gewicht des Prüfgewichts eingegeben. Nach der Kalibrierung ist die Anzeige an den Lastpunkten 20 %, 50 %, 80 % und 100 % zu überprüfen; die Abweichungen an jedem Punkt müssen den Anforderungen der jeweiligen Genauigkeitsklasse für die Umkehrspanne entsprechen.
Störungsbehebung und Wartung im Kranbetrieb
Wägesysteme sind im Kranbetrieb extremen Bedingungen wie Vibrationen, Ölverschmutzung und elektromagnetischen Störungen ausgesetzt. Nachfolgend sind die Fehlersuche und Behandlungsmaßnahmen für sechs häufige Probleme, geordnet nach Fehlerbildern, aufgeführt.
| Fehlerbild | mögliche Ursache | Fehlersuche | Behandlungsmaßnahme |
|---|---|---|---|
| Anzeigewert driftet kontinuierlich | SensorIsolationSenkenoderAnschlussdoseWassereintritt | Anwendung500VIsolationsmessgerätmessenSensorIsolation≥500MΩ | trocknenAnschlussdose,ersetzenDichtring,Vergießen mit Silikon |
| Anzeige springt/instabil | ElektromagnetischStörung oderErdungmangelhaft | OszilloskopSignalwelligkeit messen,Vergleich mit Stillstand/Betriebszustand | SignalkabelFerritkern anbringen,Schirm einseitig auflegenErdung |
| Nullpunktausgang im Leerlauf zu hoch | SensorÜberlastplastischVerformung | Nullpunktausgang messen, ob>1mV/V | ersetzenSensor,prüfenLastob überschritten150%FS |
| schlechte Linearität, große Abweichungen an einzelnen Punkten | SensorElastizitätEigenspannung oder außermittige Last | punktweise belasten und Ausgang messen,Linearitätskurve aufzeichnen | erneutKalibrierungundEinstellungmontierenWellenausrichtung,bei Bedarf ersetzenSensor |
| Anzeige"OL"/"Err" | SensorUnterbrechung oderKabelbeschädigt | MultimeterBrückenschaltung messenWiderstand350Ω/700Ω | abschnittsweiseErkennungKabelDurchgang,beschädigten Abschnitt ersetzen |
| Fehler nimmt bei Temperaturänderung zu | TemperaturkompensationVersagenoder DehnungsmessstreifenAlterung | Nullpunkt und Empfindlichkeit im Temperaturschrank messenKoeffizient | ersetzenSensoroderAufrüstungdigital mit TemperaturkompensationSensor |
Kalibrierung, Prüfung und Wartungsintervalle
Gemäß DIN EN 45501 (in Anlehnung an OIML R60) unterliegen Wiegesysteme an Kränen, die für den eichpflichtigen Verkehr eingesetzt werden, einer gesetzlichen Eichpflicht mit einem Eichintervall von höchstens 12 Monaten. Für Wiegesysteme, die der Sicherheitsüberwachung (Überlastschutz) dienen, wird empfohlen, alle 6 Monate eine Funktionsprüfung und einen simulierten Belastungstest durchzuführen. Die tägliche Wartung folgt einem dreistufigen Kontrollsystem: Bei jeder Schicht (8 h) werden die Nullanzeige des Instruments und die Unversehrtheit der Anschlussdose geprüft; wöchentlich werden die Sensorkabel auf äußere Beschädigungen und die Befestigungsschrauben auf festen Sitz kontrolliert; monatlich wird ein vollständiger simulierter Belastungstest über den gesamten Messbereich durchgeführt, wobei die Ausgangswerte an den einzelnen Lastpunkten dokumentiert und mit den vorherigen Daten verglichen werden. Bei einer Abweichung von mehr als ±0,1 % FS ist eine Neukalibrierung erforderlich.
Die Ermüdung des elastischen Elements des Sensors ist der entscheidende Faktor für seine Lebensdauer. Unter normalen Betriebsbedingungen (Last ≤ 80 % FS, Schwingungsbeschleunigung ≤ 2 g) beträgt die konstruktive Lebensdauer von Folien-Dehnungsmessstreifen-Sensoren etwa 10⁶ bis 10⁷ Lastwechsel. Bei 300 Arbeitstagen pro Jahr und durchschnittlich 200 Hubvorgängen pro Tag entspricht dies einer stabilen Einsatzdauer von etwa 8 bis 15 Jahren. Bei häufiger Volllast oder Schlaglast beschleunigt die Akkumulation von Eigenspannungen im elastischen Element jedoch den Nullpunktdrift. Es wird empfohlen, die Sensoren alle 2 bis 3 Jahre zur vollständigen Parameterprüfung an ein akkreditiertes Kalibrierlabor zu senden. Digitale Sensoren verfügen über eine integrierte Temperaturkompensation und Linearisierungsalgorithmen; ihre Langzeitstabilität ist etwa 50 % besser als die analoger Sensoren, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine langfristige Kalibrierfreiheit erfordern.
Weiterführende Literatur: Prüfschritte und Schwellwerteinstellung des Traglastbegrenzers an Brückenkranen | Unterschiede und Auswahl zwischen Überlastsicherung und Lastmomentbegrenzer | Erläuterung der Norm EN 13135 für Überlastschutzeinrichtungen an Hebezeugen
Häufig gestellte Fragen
F: Welcher Sensor bietet die höhere Genauigkeit – der Bolzensensor oder der S-Typ-Kraftsensor, und wie wählt man richtig aus?
A: Der Bolzensensor erreicht eine Genauigkeitsklasse von C3 bis C5 (Gesamtfehler ≤ ±0,02 % FS) und liegt damit über der Klasse C3 (±0,02 % FS) des S-Typ-Kraftsensors. Die Auswahl sollte jedoch nicht allein auf der Genauigkeit basieren: Der Bolzensensor ersetzt den vorhandenen Bolzen und seine Montagegenauigkeit hängt stark von der mechanischen Passung ab. Der S-Typ-Sensor hingegen wird direkt über eine standardisierte U-Gabel in das Drahtseilsystem integriert, was die Umbauzeit um etwa 70 % reduziert. Für Neuinstallationen oder Generalüberholungen von Brücken- und Portalkranen ist der Bolzensensor die erste Wahl. Bei der Nachrüstung älterer Elektroseilzüge mit begrenztem Budget ist der S-Typ-Sensor die wirtschaftlichere Lösung.
F: Die Anzeige des Wiegesystems ist instabil und springt. Wie kann ich feststellen, ob der Sensor defekt ist oder elektromagnetische Störungen vorliegen?
A: Messen Sie das Ausgangssignal des Sensors mit einem Oszilloskop und vergleichen Sie die Restwelligkeit bei gestopptem und bei volllaufendem Motor. Ist das Signal im Stillstand stabil (Restwelligkeit < 5 mVpp) und steigt es im Betrieb stark an, liegt höchstwahrscheinlich eine PWM-Störung durch den Frequenzumrichter vor. Prüfen Sie den Abstand zwischen Signal- und Stromkabel (mindestens 500 mm) und ob die Schirmung einseitig am Messgerät geerdet ist. Ist das Signal bereits im Stillstand unregelmäßig, kann dies auf einen verringerten Isolationswiderstand der Sensorbrücke (gemessen mit Isolationsmessgerät < 200 MΩ) oder eindringende Feuchtigkeit in der Anschlussdose hindeuten. In diesem Fall muss der Sensor getrocknet und die Dichtungen müssen ersetzt werden.
F: Was kostet ein komplettes Kran-Wiegesystem? Sind Installation und Kalibrierung im Preis enthalten?
A: Ein inländisches Bolzensensor-Wiegesystem (bestehend aus Sensor, Anzeigegerät und Anschlussdose) kostet etwa 0,8 bis 2,5 10.000 Yuan (ca. 1.000 bis 3.200 EUR). Systeme mit importierten Sensoren (HBM/FLINTEC/Vishay) liegen bei etwa 3 bis 8 10.000 Yuan (ca. 3.800 bis 10.200 EUR). Eine S-Typ-Kraftsensor-Lösung für Elektroseilzüge kostet etwa 0,3 bis 0,8 10.000 Yuan (ca. 400 bis 1.000 EUR). Die Kosten für Installation und Kalibrierung vor Ort werden in der Regel separat berechnet und betragen je nach Komplexität des Einsatzortes etwa 2.000 bis 5.000 10.000 Yuan (ca. 260 bis 640 EUR). Für eichpflichtige Systeme kommen zusätzlich die Gebühren der Eichbehörde von etwa 1.500 bis 3.000 10.000 Yuan (ca. 190 bis 380 EUR) pro Eichung hinzu. Die genaue Konfiguration richtet sich nach dem jeweiligen Vertrag.
F: Warum wird der Nullpunktdrift des Wägezelle über die Jahre immer größer? Muss der Sensor ausgetauscht werden?
A: Das elastische Element des Sensors akkumuliert unter langfristigen, wechselnden Lasten Eigenspannungen und erleidet mikroplastische Verformungen, was zu einer zunehmenden Drift von Nullpunkt und Empfindlichkeit führt. Gemäß DIN EN 45501 sollte ein Sensor ersetzt werden, wenn die Nullpunktdrift ±2 % FS pro Jahr oder der Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit ±0,05 % FS/10 K überschreitet, auch wenn er noch ein Signal liefert. Für analoge Sensoren in mittlerer Krananwendung (200 Hübe pro Tag, Last ≤ 80 % FS) wird ein Austauschintervall von 8 bis 12 Jahren empfohlen. Wenn ein Sensor bereits mehr als 100.000 Lastwechsel durchlaufen hat und eine Nullpunktdrift von ≥ 1 mV/V aufweist, wird ein sofortiger Austausch empfohlen.
Kelude Schwerindustrie (Henan) GmbH bietet umfassende Wiegesysteme und Dienstleistungen für Brückenkrane, Portalkrane, Hüttenkrane und explosionsgeschützte Krane an. Das Sortiment umfasst die Auswahl und Kalibrierung von Bolzensensoren, Druckkraftsensoren, S-Typ-Sensoren, Biegestabsensoren und hydraulischen Kraftaufnehmern. Weitere Informationen finden Sie auf k.qizhongji.com oder telefonisch.
