Konstruktion von Windschutz- und Windausgleichssystemen für Laufkräne: Zusammenspiel von Schienenklemmen, Verankerungsvorrichtungen und Windgeschwindigkeitsmessern sowie Sicherheitsstandards

Normen für die Berechnung und Einstufung von Windlasten

Die Berechnung der Windlasten für Kräne erfolgt gemäß der Norm GB/T 3811-2024; die Windlast F_w = C × p_h × A, wobei C der Windkoeffizient ist (zwischen 1,2 und 1,6, je nach Bauwerksform), p_hFür den berechneten Winddruck in Höhe h, wobei A die dem Wind senkrechte Windangriffsfläche des Krans ist. Der berechnete Winddruck wird anhand des 50-Jahres-Basiswinddrucks ermittelt; im Binnenland beträgt p₀=400–500 Pa, in Küstengebieten p₀=600–800 Pa, Bereich mit starkem Taifun p₀= 900–1200 Pa. Der Höhenkorrekturfaktor für Portalkrane richtet sich nach p_h=p₀×(h/10)^2αBei der Berechnung wird für α ein Wert zwischen 0,16 und 0,20 angenommen. Die Windlasten auf einen 20 m hohen Portalkran in Küstengebieten können 280 bis 420 kN erreichen, was einer seitlichen Schubkraft von 28 bis 42 Tonnen entspricht.

Es bestehen wesentliche Unterschiede zwischen der Windbeständigkeit im Betriebs- und im Nichtbetriebszustand. Die Windbeständigkeit im Betriebszustand zielt darauf ab, den sicheren Betrieb des Krans innerhalb der zulässigen Windgeschwindigkeiten zu gewährleisten. Die zulässigen Windgeschwindigkeiten sind gemäß GB/T 3811 wie folgt festgelegt: im Landesinneren nicht mehr als 20 m/s (Windstärke 8), in Küstengebieten nicht mehr als 16,5 m/s (Windstärke 7), für große Hafenkräne nicht mehr als 12,5 m/s (Windstärke 6). Die Windbeständigkeit im Ruhezustand zielt darauf ab, sicherzustellen, dass der Kran unter extremen Wetterbedingungen nicht umgestürzt wird. Im Landesinneren erfolgt die Auslegung für Windgeschwindigkeiten von mindestens 30 m/s (Windstärke 11), in Küstengebieten für mindestens 40 m/s (Windstärke 13) und in Gebieten mit starken Taifunen für mindestens 55 m/s (Windstärke 16) ausgelegt. Die Windlasten in diesen beiden Zuständen unterscheiden sich um das 4- bis 7-fache; die Auslegung der Windschutzvorrichtungen sollte beide Betriebszustände abdecken.

Die Überprüfung der Kippstabilität ist die grundlegende Berechnung für die windbeständige Auslegung. Der Sicherheitsfaktor K für die Kippstabilität des Krans beträgt K = M_稳/M_倾Im Betriebszustand sollte der Wert größer als 1,25 sein, im Nichtbetriebszustand größer als 1,15. M_倾einschließlich des durch Windlasten verursachten Kippmoments und des durch die Gleisneigung bedingten zusätzlichen Moments, M_稳Dazu gehören das Stabilisierungsmoment durch das Eigengewicht des Krans sowie das Verankerungsmoment, das durch die Windsicherung bereitgestellt wird. Reicht das Stabilisierungsmoment durch das Eigengewicht nicht aus, muss eine zusätzliche Verankerungskraft durch Schienenklemmen oder Verankerungsvorrichtungen bereitgestellt werden. Ein Portalkran vom Typ MH mit einer Spannweite von 30 m und einem Eigengewicht von ca. 35 t weist bei einer Windgeschwindigkeit von 40 m/s ein Windkippmoment von bis zu 1200 kN·m auf; die erforderliche Gesamtverankerungskraft beträgt etwa 160 bis 220 kN.

Verriegelung des Anemometer-Überwachungs- und -Steuerungssystems

Der Windmesser ist die erste Verteidigungslinie des Windschutzsystems und wird am höchsten Punkt des Hauptträgers der Laufkatze oder auf dem Dach des Laufwagens installiert; seine Höhe über dem Boden entspricht der tatsächlichen maximalen Höhe des Krans. Es wird empfohlen, einen Dreikübel-Windmesser (Messbereich 0–60 m/s, Genauigkeit ±0,3 m/s) zu installieren, der mit einer Heizfunktion ausgestattet ist, um ein Verstopfen durch Vereisung zu verhindern. Das Signal des Windgeschwindigkeitsmessers wird in die SPS des Kransteuerungssystems eingespeist, wo die Windgeschwindigkeitsdaten über ein Analog-Eingangsmodul (4–20 mA oder 0–10 V) in Echtzeit erfasst werden. Die Abtastrate beträgt maximal 1 Sekunde; eine Aktion wird erst ausgelöst, wenn der Schwellenwert drei Sekunden lang ununterbrochen überschritten wird, um Fehlalarme durch kurzzeitige Windböen zu vermeiden.

Das Steuerungssystem verfügt über drei Windgeschwindigkeitsschwellenwerte. Der Schwellenwert für die erste Warnstufe ist auf 70% der zulässigen Windgeschwindigkeit festgelegt (z. B. 14 m/s bei einer Betriebswindgeschwindigkeit von 20 m/s) und löst einen akustischen und optischen Alarm aus, um das Bedienpersonal auf Änderungen der Windgeschwindigkeit aufmerksam zu machen. Der Schwellenwert für die Geschwindigkeitsreduzierung der zweiten Stufe ist auf 85% der zulässigen Windgeschwindigkeit festgelegt. Bei Erreichen dieses Wertes werden der Haupt- und der Nebenwagen automatisch auf 50% der Nenngeschwindigkeit abgebremst, während im Führerstand die Meldung ”Windgeschwindigkeit zu hoch – bitte auf Stillstand vorbereiten” angezeigt wird. Wird der Schwellenwert der dritten Stufe erreicht oder überschritten, wird ein Notstopp ausgelöst: Die Betriebsstromversorgung von Haupt- und Nebenfahrwerk wird unterbrochen, die Schienenklemmenbremse wird automatisch aktiviert und ein Alarm für den erzwungenen Stillstand ausgegeben. Der zeitliche Abstand zwischen den Schwellenwerten der drei Stufen beträgt mindestens 2 m/s, um zu verhindern, dass die Windgeschwindigkeit im Bereich um die Schwellenwerte herum häufig Auslösungen verursacht.

Funktionen zur Aufzeichnung der Windgeschwindigkeit und zur Fernüberwachung haben sich bei intelligenten Laufkränen zunehmend durchgesetzt. Die Daten des Windgeschwindigkeitsmessers werden einmal pro Minute aufgezeichnet, täglich wird ein Windgeschwindigkeitsprotokoll erstellt, und Zeiträume, in denen Schwellenwerte überschritten werden, werden mit einer Genauigkeit im Sekundenbereich erfasst. Die Daten werden lokal im Datenblock der SPS gespeichert und über das industrielle Ethernet an die Fernwartungsplattform übertragen.

Schienenklemmen und Windkeile

Der Windschutzkeil dient als Zusatzvorrichtung zum Schienenhalter und wird zwischen dem Radkranz des Laufkrans und der Schiene angebracht. Er verhindert mithilfe des Prinzips der keilförmigen Selbsthemmung, dass das Rad entlang der Schiene rollt. Der Keilwinkel beträgt in der Regel 6° bis 10° (tan 6° = 0,105, was kleiner ist als der Reibungskoeffizient von Stahl auf Stahl von 0,15 und somit die Bedingungen für die Selbsthemmung erfüllt). Das Material der Eisenkeile ist Stahlguss ZG270-500 oder Q345B; die Keilfläche ist gehärtet und weist eine Härte von HB 300 bis 380 auf. Es gibt zwei Betriebsarten: manuelles und automatisches Einkeilen. Die automatischen Windschutzkeile werden durch einen Pneumatikzylinder oder einen elektrischen Stellantrieb angetrieben und lassen sich per Knopfdruck aus der Fahrerkabine bedienen. Eine Person kann das Einkeilen aller vier Räder entlang der gesamten Strecke innerhalb von fünf Minuten abschließen.

Manuelle und automatische Verankerungsvorrichtungen

Die Verankerungsvorrichtung ist die zuverlässigste Methode zum Schutz vor Wind im Ruhezustand. Dabei wird der Laufkran mittels Verankerungsbolzen oder Verankerungsplatten an im Boden vorverankerten Befestigungspunkten fixiert. Je nach Bauart werden zwei Arten von Verankerungsvorrichtungen unterschieden: die Bolzenverankerung und die Klappverankerung. Bei der Verankerung mit Verankerungsbolzen wird an der Unterseite des Laufkrans eine Verankerungslasche angeschweißt. Im Boden werden im Rahmen des Fundaments Verankerungslöcher vorgesehen, in die der Verankerungsbolzen im Ruhezustand in die Verankerungslasche und das Fundamentloch eingeführt wird. Bei der Klappplattenverankerung wird an der Unterseite des Kranendträgers eine klappbare Verankerungsplatte angebracht, deren Verankerungsnut nach dem Herunterklappen in den Bodenanker eingreift. Die Zugfestigkeit der Bolzenverankerung ist höher als die der Klappverankerung (bis zu 300–500 kN an einem Punkt), während die Klappverankerung im Vergleich zur Bolzenverankerung eine einfachere Handhabung bietet.

Die Verankerungspunkte sind in Abständen von 20 bis 30 m entlang der Schienenrichtung angeordnet, um sicherzustellen, dass die Laufkrane an jeder Halteposition einen Verankerungspunkt finden können. Jede Gruppe von Verankerungspunkten verfügt über je ein Verankerungsfundament an jeder der beiden Schienen; die Auszugskraft des Fundaments ist auf das 1,5-Fache der maximalen Windlast im Ruhezustand ausgelegt. Die Verankerungsfundamente bestehen aus Stahlbeton, haben in der Regel die Abmessungen 800 × 800 × 1000 mm, eine Betonklasse von ≥ C30 und sind entsprechend den Anforderungen für Auszugssicherungsstützen bewehrt. In den von Taifunen betroffenen Küstengebieten darf der Abstand zwischen den Verankerungen nicht mehr als 15 m betragen, und die Fundamentabmessungen werden auf 1000 × 1000 × 1200 mm vergrößert.

Die elektrische Verriegelung zwischen Verankerungsvorrichtung und Steuerungssystem ist ein entscheidendes Konstruktionsmerkmal zur Verhinderung einer Fahrt mit Verankerung. Befindet sich eine der Verankerungsvorrichtungen im Verankerungszustand, sendet der Endschalter ein Verankerungssignal an die SPS, woraufhin die SPS die Betriebsstromkreise für den Haupt- und den Nebenwagen unterbricht und die Kontrollleuchte ”Verankerung nicht gelöst” im Führerstand dauerhaft leuchtet. Jeder Kran, der gegen Wind und Kälte geschützt ist, muss mit dieser Verriegelungsschaltung ausgestattet sein, um Fehlbedienungen durch das Bedienpersonal, bei denen die Verankerung vergessen und der Kran dennoch gestartet wird, von Grund auf zu verhindern.

Spezielle Auslegung für Küstengebiete und Gebiete mit starkem Wind

Bei der windfesten Auslegung von Portalkranen in Küstengebieten und Regionen mit starken Winden müssen drei spezielle Aspekte zusätzlich berücksichtigt werden: Maßnahmen bei Taifunwarnungen, Windsicherungsseile und Windsicherungsverankerungen. Die Maßnahmen bei Taifunwarnungen sind in drei Stufen unterteilt: Blaue Warnung (mögliche Auswirkungen eines Taifuns innerhalb von 24 Stunden) → Überprüfung der Funktionsfähigkeit aller Windsicherungsvorrichtungen und Durchführung eines Testlaufs; gelbe Warnstufe (mögliche Auswirkungen innerhalb von 12 Stunden) → Die Laufkräne in die Verankerungsposition bringen, alle Windschutzkeile einkeilen und die Verankerungsbolzen einstecken; Rote Warnstufe (direkter Taifun-Treffer innerhalb von 6 Stunden) → Anbringen von Windsicherungsseilen. An beiden Enden des Hauptträgers der Laufkrananlage sind jeweils zwei Windsicherungsseile mit einem Durchmesser von ≥ 16 mm anzubringen, wobei der Winkel zu den Bodenverankerungen 45° nicht überschreiten darf.

An die Windschutztechnik von Hafenkranen werden noch strengere Anforderungen gestellt. Die Windgeschwindigkeitsmesser sind doppelt ausgelegt (jeweils ein Haupt- und ein Reservegerät mit automatischer Umschaltung), die Schienenklemmen sind im Dualmodus (elektrohydraulisch + Federrückstellung) konfiguriert, und der Abstand zwischen den Verankerungsvorrichtungen darf 12 m nicht überschreiten. Die windfesten Eisenkeile werden automatisch gesteuert; alle Keile lassen sich per Knopfdruck aus der Fahrerkabine synchron einrasten, wobei der Vorgang nicht länger als 60 Sekunden dauert. Darüber hinaus müssen Hafenkrane mit einer Anti-Klettervorrichtung ausgestattet sein, um zu verhindern, dass der Kran im verankerten Zustand aufgrund von Seitenwind entlang der Schienen hin und her rutscht. Nach starkem Wind muss zudem die Ausrichtung von Rädern und Schienen überprüft werden – unter lang anhaltendem starkem Wind kann es zu geringfügigem Schlupf kommen, der zu einer Schräglage der Räder führt,Fehlerbehebung und Einstellung bei Schienenkontaktproblemen bei Brückenkranen und GroßkranenDarin werden die Methoden zur Erkennung von Radversatz und zur Spannweitenkorrektur ausführlich beschrieben.

Bei der Windsicherung müssen auch ”Ausfallbedingungen” berücksichtigt werden – d. h., ob die verbleibende Windsicherungskapazität ausreichend ist, wenn ein Teil der Windsicherungsvorrichtungen ausfällt oder gewartet wird. Gemäß dem Prinzip der Sicherheitsredundanz muss die Summe der verbleibenden Klemmkräfte der Schienenklemmen auch bei Ausfall einer einzelnen Schienenklemme im System mindestens 75% der erforderlichen Gesamtklemmkraft betragen. Während der Wartung der Verankerungsvorrichtungen darf der Abstand zwischen zwei benachbarten Verankerungspunkten den Auslegungswert nicht um mehr als 50% überschreiten.

Regelmäßige Wartung und Notfallmaßnahmen

Die regelmäßige Wartung der Windschutzvorrichtungen hat direkten Einfluss auf deren Zuverlässigkeit im Katastrophenfall. Die elektrohydraulischen Schienenklemmen werden vierteljährlich einer umfassenden Überprüfung unterzogen: Hydraulikölstand und -qualität (Wassergehalt ≤ 0,11 TP3T), Dichtheit der Leitungen (Druckabfall bei 5-minütiger Druckhaltung ≤ 51 TP3T), Verschleiß der Klemmbacken (Dickenverlust der Backen ≤ 3 mm), Isolationswiderstand der elektrischen Anschlüsse ≥ 1 MΩ. Bei manuellen Gleisklammern und Verankerungsbolzen ist einmal jährlich eine Betriebsübung ohne Last durchzuführen, um sicherzustellen, dass die Gewindestange und der Bolzen nicht durch Rost festsitzen oder klemmen. Bei den Windschutzkeilen ist halbjährlich der Verschleiß der Keilfläche und der Kontaktfläche mit dem Gleis zu überprüfen.

Der Notfallablauf ist vor Ort deutlich sichtbar auszuhängen: Bei Erreichen des Schwellenwerts der ersten Stufe (Warnwert) → akustischer und optischer Alarm im Führerstand, Meldung des Bedienpersonals an die Leitstelle; bei Erreichen des Schwellenwerts der zweiten Stufe (Geschwindigkeitsreduzierungswert) → automatische Geschwindigkeitsreduzierung, Vorbereitung zum Anhalten an der Verankerungsposition; Windgeschwindigkeit erreicht den Schwellenwert der dritten Stufe (Stillstandswert) → automatischer Stillstand und Festklemmen an den Schienen; der Bediener drückt im Führerstand die Taste ”Verankerung auf der gesamten Strecke” und führt nacheinander die folgenden drei Vorgänge durch: Betätigung der Schienenklemmenbremse → Einrasten der Windschutzkeile → Einrasten der Verankerungsbolzen. Der gesamte Vorgang muss innerhalb von 5 Minuten abgeschlossen sein.

Die regelmäßige Durchführung von Notfallübungen zum Schutz vor starkem Wind ist das beste Mittel, um die Zuverlässigkeit des Systems zu überprüfen. Es wird empfohlen, alle sechs Monate eine Notfallübung für das gesamte Personal zu organisieren, bei der ein plötzlicher Anstieg der Windgeschwindigkeit simuliert wird, um die Reaktionszeit des Bedienpersonals vom Eingang des Alarms bis zum Abschluss der Verankerung zu überprüfen. Als Bestehenskriterium gelten ≤ 5 Minuten bei Ein-Personen-Bedienung und ≤ 3 Minuten bei Zweier-Kooperation. Nach der Übung ist die Windschutzvorrichtung einer umfassenden Überprüfung zu unterziehen und festgestellte Mängel sind zu protokollieren.

Häufig gestellte Fragen