Tragbalken und Radgruppen: Radlastverteilung und Schienenanpassung bei der Konstruktion von Sonderkranen
📌 Kernelemente der Konstruktion von Endträgern für Sonderkrane: geschweißte Kastenprofil-Endträgerkonstruktion, Anordnung aus Antriebs- und Mitlaufrolle, Ungleichmäßigkeitskoeffizient der Radlast K = 1,1–1,3, Überprüfung der Schienenkontaktbelastung.Krud Heavy Industry hat bei mehreren Sonderprojekten die koordinierte Konstruktion und die Überprüfungsberechnungen für Endträger, Radsätze und Schienen durchgeführt. In diesem Artikel werden die wesentlichen Punkte bei der Konstruktion des Fahrwerks von Sonderkranen systematisch dargelegt, angefangen bei der Auswahl der Endträgerkonstruktion über die Konfiguration der Radsätze und die Berechnungsmethoden für den Raddruck bis hin zu den Lösungen für die Schienenanpassung.
Die Endträger und die Radgruppen sind zentrale Bestandteile des Fahrwerks eines Krans und bestimmen insbesondere bei der Konstruktion von Sonderkranen unmittelbar die Betriebssicherheit der gesamten Maschine, die gleichmäßige Verteilung der Radlast sowie die Lebensdauer der Schienen. Im Gegensatz zu Standardkranen müssen bei Sonderkranen aufgrund von Faktoren wie unterschiedlichen Spannweiten, Radabstandsanpassungen und variierenden Schienenbahnbedingungen die Konstruktionsparameter für Endträger und Radgruppen für jede einzelne Maschine individuell berechnet werden; es können keine Standardzeichnungen verwendet werden. Krued Heavy Industry hat im Laufe langjähriger Erfahrung in der Konstruktion von Sonderkranen standardisierte Verfahren für die Auswahl der Endträgerkonstruktion, die Konfiguration der Radgruppen und die Berechnung der Radlast entwickelt, die in diesem Artikel systematisch erläutert werden.
Wichtige Punkte bei der Konstruktion von Endträgerkonstruktionen
Der Endträger ist eine Übergangskonstruktion zwischen dem Hauptträger und der Radgruppe und nimmt die gesamte vertikale Last sowie die horizontalen Seitenkräfte des Krans auf. Bei der Konstruktion von Endträgern für Sonderkrane müssen die folgenden entscheidenden Faktoren berücksichtigt werden:Zusammenhang zwischen Spannweite und Radstand.Bei einer Spannweite von mehr als 22,5 m sollten die Endträger in Segmenten ausgeführt und in der Mitte mit hochfesten Schrauben (Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9) verbunden werden, um den Transport und die Montage zu vereinfachen. Die Querschnittshöhe der Endträger beträgt in der Regel 1/12 bis 1/15 der Spannweite; die Stegdicke wird anhand der Scherspannung berechnet und beträgt in der Regel mindestens 6 mm.
Materialauswahl.Der Hauptkörper des Endträgers besteht aus niedriglegiertem, hochfestem Baustahl der Güteklasse Q355B mit einer Streckgrenze von mindestens 355 MPa. Für Schwerlastbedingungen (Betriebsklasse M6 oder höher) oder Umgebungen mit niedrigen Temperaturen (unter -20 °C) wird die Verwendung von Stahl der Güteklassen Q390D oder Q420D empfohlen, wobei die Schlagzähigkeit mindestens 34 J (-20 °C) betragen muss. Die Qualitätsklasse der Schweißnähte beträgt Klasse II; Stumpfschweißnähte müssen einer Ultraschallprüfung nach 100% unterzogen werden.
Verbindungsarten.Die Verbindung zwischen Endträger und Hauptträger erfolgt entweder durch Schweißen oder mittels Flansch. Die geschweißte Verbindung zeichnet sich durch hohe Steifigkeit und eine kompakte Bauweise aus und eignet sich für Krane mit kleinen bis mittleren Spannweiten (bis einschließlich 22,5 m); die Flanschverbindung erleichtert die Demontage und den Transport und eignet sich für große Spannweiten sowie Sonderanfertigungen. Die Schrauben für die Flanschverbindung werden gemäß der Norm GB/T 16939 ausgewählt, das Vorspannmoment wird nach der Drehmomentkoeffizientenmethode geregelt, und nach der Montage der Schrauben muss eine Drehmomentprüfung durchgeführt werden.
Auswahl und Konfiguration von Radsätzen
Eine Radgruppe besteht aus Rad, Ecklagergehäuse, Achse und Dichtungen und ist das Bauteil, das unterhalb des Endträgers direkt mit der Schiene in Kontakt kommt. Die Konfiguration der Radgruppen für Sonderkrane muss unter Berücksichtigung der Radlast, der Fahrgeschwindigkeit und der Betriebsklasse festgelegt werden.RaddurchmesserDer Durchmesserbereich liegt zwischen 200 und 800 mm, wobei eine Radlast von 5 bis 20 kN einem Raddurchmesser von etwa 4 bis 10 mm entspricht. Die Härte der Lauffläche muss zwischen HRC 40 und 50 (Oberflächenhärtung) liegen, wobei die Härtetiefe mindestens 15 mm betragen muss.
Anordnung von Antriebs- und angetriebenem Rad.Die Standardkonfiguration ist ein diagonaler Antrieb (2 Antriebsräder + 2 angetriebene Räder), wobei die Antriebsräder in den diagonal gegenüberliegenden Ecklagergehäusen montiert sind. Der Antriebsmotor treibt die Radachsen über ein Untersetzungsgetriebe an. Bei Sonderkranen mit hoher Tragfähigkeit oder hohen Beschleunigungsanforderungen kann eine Allradantriebskonfiguration mit vier Rädern verwendet werden. Die Laufflächenform der Räder wird in zylindrische und konische Ausführungen unterteilt; die konische Lauffläche (Konizität 1:16) wird bei Kranen mit großer Spannweite zur automatischen Spurkorrektur eingesetzt.
Vergleich der Konfigurationen von Endträgern und Radsätzen unter verschiedenen Betriebsbedingungen
| Betriebsarten | Endträgerausführung | Radkonfiguration | Raddurchmesser | Schienenmodell | Anwendungsbereich |
|---|---|---|---|---|---|
| Für leichte Lasten und allgemeine Zwecke | Kastenschweißung | 2 aktive + 2 passive | Durchmesser 250–400 mm | S. 43 | 22,5 m oder weniger |
| Mittlere Auslastung | Kastenform + Flanschverbindung | 4 aktive + 4 passive | Durchmesser 400–630 mm | QU80 | 22,5–31,5 m |
| Hochleistungsmetallurgie | Zweiteilige Hochfestigkeitsschrauben | Allradantrieb | Durchmesser 630–800 mm | QU100/QU120 | 31,5–40 m |
| Explosionsgeschützte Umgebung | Kastenförmige Schweißnaht + funkenfreies Material | 2 Antriebsräder + 2 angetriebene Räder + Kupferring | Durchmesser 300–500 mm | P50+ mit Kupferleiste | 25 m oder weniger |
| Tiefsttemperatur (minus 40) | Kastenform + Q420D + Kalt-Schweißstäbe | 4 aktive + 4 passive | Durchmesser 400–630 mm | QU80+ – Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen | 31,5 m oder weniger |
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Berechnung der Radlast Maximale Radlast Pmax = Hublast multipliziert mit dem Koeffizienten für dynamische Belastung + Eigengewicht; Koeffizient für ungleichmäßige Radlast K = 1,1 bis 1,3. Die Kontaktbelastung der Schiene muss unter dem zulässigen Wert liegen. |
Auswahl der Lager Das Winkel-Lagergehäuse ist mit einem Pendelrollenlager ausgestattet und nimmt kombinierte radiale und axiale Belastungen auf. Die Lebensdauer des Lagers wird gemäß ISO 281 berechnet und beträgt mindestens 5.000 Stunden (Klasse M4) bzw. 10.000 Stunden (Klasse M6). |
Schienenverschleiß Wenn der Verschleiß an der Oberseite der Schiene 3 mm oder weniger beträgt, muss die Schiene justiert oder ausgetauscht werden. Die Verschleißrate steht in direktem Zusammenhang mit dem Raddruck und der Anzahl der Fahrten; in der Regel werden die Schienen alle 5 bis 8 Jahre ausgetauscht. |
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Lebensdauer der Räder Die Anzahl der Ermüdungszyklen der Lauffläche beträgt mindestens 2 × 10⁵. Bei Ermüdungsabplatzungen an der Lauffläche oder bei einem Verschleiß des Radkranzes auf 50% der ursprünglichen Dicke muss das Rad ausgetauscht werden. |
Steifigkeit des Endträgers Die vertikale statische Steifigkeit des Endträgers beträgt höchstens L/800, die horizontale Steifigkeit höchstens L/2000. Eine unzureichende Steifigkeit führt zu einer ungleichmäßigen Radbelastung und beschleunigt das Schienenabfressen. |
Montagegenauigkeit Die vertikale Rundlaufabweichung des Rades darf höchstens L/1000 betragen und muss maximal 5 mm nicht überschreiten; die horizontale Rundlaufabweichung darf höchstens L/2000 betragen. Die Spurabweichung darf ±3 mm betragen, und die Diagonaldifferenz darf höchstens 5 mm betragen. |
Anpassung an die Schiene und Behebung häufiger Probleme
Die Schienenanpassung ist der letzte Schritt bei der Konstruktion von Endträgern und Radsätzen. Bei der Auswahl der Schienen müssen sowohl die Radlast als auch die Tragfähigkeit der Schienenbalken berücksichtigt werden.P43-SchieneGeeignet für Krane mit einer Radlast von höchstens 200 kN,QU80Geeignet für 200–350 kN,QU100/QU120Geeignet für 350 bis 500 kN und mehr. Die Genauigkeit der Gleisverlegung wirkt sich direkt auf die Lebensdauer der Räder aus: Die Abweichung der Horizontalität über die gesamte Länge darf höchstens L/1000 betragen, die Versetzung an den Gleisverbindungen darf höchstens 1 mm betragen und der Spalt muss zwischen 2 und 4 mm liegen. Krude Heavy Industry hat bei Sonderprojekten umfangreiche Erfahrungen in verschiedenen Bereichen gesammelt, darunter die Verstärkung von Schienenbalkenfundamenten, die Anpassung von Schienenbefestigungsplatten und die Behandlung von Dehnungsfugen.
Zu den häufigsten Problemen beim Fahrwerk von Sonderkranen zählen das Einfressen in die Schiene, Lastungleichgewichte, Radflanschverschleiß und ungewöhnlicher Schienenverschleiß. Die Hauptursachen für das Einfressen in die Schiene sind Montageabweichungen der Räder oder eine zu große Abweichung von der Schienengeradheit; diese Probleme lassen sich durch die Einstellung des Radversatzes und die Kalibrierung der Schiene beheben. Eine einseitige Belastung tritt auf, wenn der Koeffizient der ungleichmäßigen Radlast 1,5 überschreitet; dies lässt sich durch eine Anpassung der Anordnung der Versteifungsrippen am Endträger oder durch den Einbau von Stützrädern beheben. Weitere Informationen zur praktischen Anwendung von Fahrwerken bei Sonderkranen finden Sie unterDer umfassende Leitfaden zur Maßanfertigung von SonderkranenKapitel „Konstruktion des Mittelträgers und der Radbaugruppe“.
Konstruktionsprozess für nicht standardisierte Endträger-Radsätze
Der Konstruktionsprozess für Endträger und Radgruppen von Sonderkranen gliedert sich in sechs Schritte:
Vorläufige Parameterfestlegung——Tragfähigkeit, Spannweite, Betriebsklasse, Zustand der Schienenbalken.
Vorauswahl des Querschnitts für den Endträger– Die Querschnittshöhe sowie die Dicke der Steg- und Flanschplatten werden anhand der Spannweite und des Radabstands bestimmt.
Berechnung der Radlast——Berechnung der maximalen und minimalen Radlast gemäß GB/T 3811 unter Berücksichtigung des Koeffizienten für dynamische Lasten beim Anheben und des Koeffizienten für ungleichmäßige Radlasten.
Auswahl von Radsätzen——Legen Sie anhand der Radlast den Raddurchmesser, die Lagertypen und die Einbauart fest.
Bahnüberprüfung——Die Kontaktkräfte an den Schienen nachrechnen und den Schienentyp sowie die Verlegungsvariante bestätigen.
Steifigkeits- und Ermüdungsnachweis——Berechnung der Ermüdungslebensdauer der Radlauffläche gemäß GB/T 23260.
Die Konstruktion erfolgt gemäß den Normen GB/T 3811-2008 „Konstruktionsnormen für Krane“ und JB/T 9005-2010 „Guss-Kranendträger“. Krud Heavy Industry hat bei zahlreichen Projekten mit Sonderkranen und der Automatisierung von Kranen umfangreiche Erfahrungen in der Konstruktion von Endträgern und Radgruppen gesammelt. Weitere Informationen zur Konstruktion von Kranen finden Sie unterUmfassender Leitfaden zur Einhaltung der Normen für die Konstruktion und Herstellung von LaufkränenErläuterungen zu den einschlägigen Normen für die Tragwerksplanung.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Frage: Worin besteht der Unterschied zwischen einem nicht standardisierten und einem standardmäßigen Kranendträger?
Antwort: Standard-Endträger werden nach serienmäßigen Zeichnungen gefertigt und eignen sich für Standardkrane mit fester Spannweite und festem Radabstand. Nicht standardisierte Endträger müssen für jede Anlage individuell konstruiert werden. Die wesentlichen Unterschiede liegen in folgenden Punkten: ① Die Länge der Endträger wird an den tatsächlichen Radabstand angepasst, wobei die maximale Abweichung mehrere Meter betragen kann; ② Die Berechnung der Radlast muss punktweise erfolgen, wobei die tatsächliche Tragfähigkeit der Schienenbalken und nicht die standardmäßigen Annahmen zur Bodenfestigkeit berücksichtigt wird; ③ Die Verbindungsart der Endträger (Schweiß-, Flansch- oder Schraubverbindung) wird entsprechend den Transportbedingungen und den Montagemöglichkeiten vor Ort individuell angepasst. Krude Heavy Industry wendet bei Sonderanfertigungen eine parametrische Konstruktion an und erstellt die Zeichnungen erst nach einer Verifizierung mittels Finite-Elemente-Methode.
Frage: Wie wird der Koeffizient für die ungleichmäßige Radlast ermittelt?
Antwort: Gemäß GB/T 3811-2008 wird der Koeffizient K für die ungleichmäßige Radbelastung mit 1,1 bis 1,3 angenommen. Bei leichter Belastung wird der kleinere Wert (1,1) gewählt, bei schwerer oder einseitiger Belastung der größere Wert (1,3). Die konkrete Wahl des Wertes hängt ab von: der Steifigkeit des Endträgers (je größer die Steifigkeit, desto kleiner der Ungleichmäßigkeitskoeffizient), der Montagegenauigkeit der Räder, der Horizontalität der Schiene und der Spannweite. Wenn der berechnete K-Wert größer als 1,5 ist, muss die Konstruktion des Endträgers angepasst oder die Anzahl der Räder erhöht werden, um den Druck pro Rad zu verringern.
Frage: Kann bei Sonderkranen der Radstand verringert werden?
Antwort: Ja, allerdings müssen die Steifigkeit des Endträgers und die Kippstabilität überprüft werden. Durch die Verringerung des Radabstands erhöht sich das Verhältnis von Spannweite des Endträgers zu Radabstand, wodurch sowohl die vertikale als auch die horizontale Steifigkeit abnehmen. Der Mindestradabstand muss folgende Anforderungen erfüllen: Die vertikale statische Steifigkeit des Endträgers muss mindestens L/800 betragen, die horizontale statische Steifigkeit mindestens L/2000, und unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen des Krans darf an keinem Rad eine negative Radlast (Abheben vom Boden) auftreten. Im Allgemeinen wird empfohlen, dass der Radabstand nicht weniger als 1/7 der Endträgerlänge beträgt. In Sonderfällen ist eine Überprüfung mittels Finite-Elemente-Analyse erforderlich.
Frage: Müssen alle Schweißnähte an den Endträgern einer zerstörungsfreien Prüfung unterzogen werden?
Antwort: Gemäß den Klassifizierungsanforderungen der Norm GB/T 3811 müssen die Stumpfschweißnähte der Endträger von Kranen der Betriebsklasse A5 und höher einer Ultraschallprüfung (UT) gemäß 100% unterzogen werden; Ecknähte sind entsprechend einer Stichprobenquote von mindestens 25% einer Magnetpulverprüfung (MT) zu unterziehen. Bei Kranen der Betriebsklasse A4 und darunter beträgt die Stichprobenquote für Stumpfschweißnähte mindestens 50% und für Kehlnähte mindestens 10%. Die Prüfnormen richten sich nach GB/T 11345, wobei Schweißnähte der Klasse 1 als konform gelten. Bereiche, die die Prüfung nicht bestehen, müssen abgeschliffen, nachgeschweißt und anschließend erneut geprüft werden.
