Handbuch zur Schwingungsdämpfung bei Kranlasten: Funktionsweise der elektronischen Schwingungsdämpfung und Methoden zur Parametereinstellung

Die Methoden zur Unterdrückung des Schwingens von Lasten an Laufkränen lassen sich in zwei Kategorien einteilen: die Eingangsformung im offenen Regelkreis und die Rückkopplungsregelung im geschlossenen Regelkreis. Die folgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektronischen Schwingungsdämpfungssystems sowie die Methode zur Einstellung der Kernparameter. Der zentrale Parameter der Schwingungsdämpfung bei Kranen ist die Schwingungsperiode, die der Länge des Hubseils entspricht: T = 2π√(L/g). Durch Einstellen des Impulsabstands bei der Eingangsformung auf T/2 lässt sich die Schwingung bei der Grundfrequenz wirksam unterdrücken. Bei der Regelung im geschlossenen Regelkreis wird der Schwingungswinkel in Echtzeit über einen Encoder oder einen Bildsensor gemessen und die Geschwindigkeitsvorgabe durch einen PD-Regler korrigiert. Ohne Schwingungsdämpfung beträgt die maximale Schwingung ±600–800 mm; nach der Eingangsformung sinkt sie auf ±30–80 mm, und mit der Regelung im geschlossenen Regelkreis kann sie auf ±15–30 mm reduziert werden.

Berechnung der Schwingungsperiode und Einflussfaktoren

Das physikalische Modell für das Schwingen einer Last an einem Laufkran lässt sich auf ein Einfachpendelmodell vereinfachen, wobei die Schwingungsperiode T ausschließlich von der Länge des Hubseils L abhängt: T = 2π√(L/g), wobei g die Erdbeschleunigung von 9,81 m/s² ist. Krud Heavy Industry verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Forschung, Entwicklung und technischen Umsetzung elektronischer Schwingungsdämpfungssysteme für Laufkräne. Die angebotenen umfassenden technischen Lösungen umfassen sowohl Ansätze zur Eingangsformung als auch zur Regelung im geschlossenen Regelkreis und ermöglichen die Anpassung optimaler Schwingungsdämpfungsstrategien an unterschiedliche Betriebsbedingungen. In realen Krananlagen wird das Schwingen der Last zudem durch die Beschleunigungswerte beim Beschleunigen und Abbremsen des Haupt- und Laufwagens, die Elastizität des Tragseils, Windlasten sowie die Exzentrizität der Last beeinflusst. Schwingungsperioden für gängige Seillängen: 2 m → 2,84 s, 3 m → 3,47 s, 5 m → 4,48 s, 8 m → 5,67 s, 10 m → 6,34 s, 15 m → 7,77 s. Je länger das Hebeseil ist, desto länger ist die Schwingungsperiode, und bei niedrigen Geschwindigkeiten lässt sich das Schwingen nur schwer auf natürliche Weise abklingen.

Die Schwingungsamplitude wird hauptsächlich durch die Beschleunigung und Verzögerung des Hauptwagens und des Nebenwagens bestimmt. Je größer die Beschleunigung ist, desto stärker sind die Stoßkräfte beim Anfahren und Anhalten, und desto größer ist die ausgelöste Schwingungsamplitude. Empfohlene Beschleunigungseinstellungen für Standard-Kranbrücken: Hauptkran 0,2 bis 0,4 m/s², Nebenkran 0,3 bis 0,5 m/s². Diese empfohlenen Werte orientieren sich an den Vorgaben für die Beschleunigung der Fahrwerke von Haupt- und Nebenkranen in der Norm GB/T 3811-2008 „Konstruktionsnormen für Krane“. Bei einer Beschleunigung von mehr als 0,6 m/s² nimmt die Schwingungsamplitude stark zu. Der erste Schritt der Schwingungsdämpfung besteht in der angemessenen Festlegung der grundlegenden Beschleunigungswerte; auf dieser Grundlage wird ein Schwingungsdämpfungsalgorithmus angewendet, um die Schwingungen weiter zu unterdrücken.

Prinzipien der Eingangsformung und Parametereinstellung

Das Input-Shaping-Verfahren ist die am weitesten verbreitete Lösung zur Schwingungsdämpfung bei Kranen im offenen Regelkreis. Das Prinzip besteht darin, einen einmaligen Beschleunigungsbefehl in zwei oder mehr Impulsfolgen zu zerlegen, wobei sich die durch die einzelnen Impulse erzeugten Schwingungen gegenseitig aufheben. Der einfachste ZV-Shaper (Zero-Vibration) verwendet zwei Impulse gleicher Amplitude im Abstand von T/2. Der erste Impuls erzeugt eine Schwingung in Vorwärtsrichtung über eine halbe Periode, der zweite Impuls eine Schwingung in Rückwärtsrichtung über eine halbe Periode; durch die Überlagerung beider Impulse wird die Schwingung eliminiert.

Berechnung der Parameter für den ZV-Formgeber: Angenommen, die Seillänge beträgt L = 5 m → T = 4,48 s → Impulsabstand Δt = T/2 = 2,24 s. Amplitudenverteilung: A1 = 0,5 (erster Impuls, 50%-Hub), A2 = 0,5 (zweiter Impuls: 50%-Hub). Steuerungsablauf: Die SPS gibt einen Geschwindigkeitsbefehl aus → Der Frequenzumrichter beschleunigt gemäß der Geschwindigkeitskurve des ersten Abschnitts (50%-Hub) → 2,24 s warten → Der Frequenzumrichter beschleunigt gemäß der Geschwindigkeitskurve des zweiten Abschnitts (verbleibender 50%-Hub). In der Praxis wird häufig ein ZVD-Formgeber (Zero-Vibration-Differential) eingesetzt (3 Impulse, Amplitudenverteilung 1:2:1, Abstand T/2), um sowohl die Betriebseffizienz als auch die Regelgenauigkeit zu gewährleisten. Der technische Leiter von Krude Heavy Industry erklärte: ”Das Verfahren der Eingangsglättung hat sich bei der Schwingungsdämpfung von Laufkränen bereits über viele Jahre in der Praxis bewährt. Der ZV-Glätter eignet sich für herkömmliche Hebevorgänge mit fester Seillänge, während die Dreipuls-Struktur des ZVD-Glätters eine höhere Robustheit gegenüber dem Dämpfungseffekt des Seils aufweist und daher die am meisten empfohlene Lösung für den Einsatz in Laufkranprojekten ist.”

Schritte zur Einstellung der Parameter für die Eingangsformung: Schritt 1: Messen oder Schätzen der tatsächlichen Seillänge L. Schritt 2: Berechnen der Schwingungsperiode T = 2π√(L/g). Schritt 3: Auswählen des Formungstyps (ZV für einfrequente Hauptschwingung, ZVD für gedämpfte Schwingung, EI für Szenarien mit Frequenzänderung). Schritt 4: Berechnen Sie das Impulsintervall und die Amplitude. Schritt 5: Schreiben Sie die Werte in das SPS-Programm (überlagern Sie den Ausgang des Schwingungsformers vor der Drehzahlvorgabe des Frequenzumrichters). Schritt 6: Im Leerlauf-Testbetrieb die Schwingungsdämpfung beobachten und die Parameter schrittweise feinabstimmen (das Impulsintervall um 5% bis 10% erhöhen oder verringern, um es an die tatsächliche Periodenabweichung anzupassen).

Regelverfahren mit geschlossenem Regelkreis und Sensorauswahl

Die geschlossene Schwingungsdämpfungskontrolle ergänzt die offene Formungsregelung um eine Echtzeit-Rückmeldung des Schwingungswinkels und korrigiert den Drehzahlsollwert mithilfe eines PD-Reglers (Proportional-Differential). Das Steuerungssystem besteht aus drei Komponenten: dem Schwingungswinkelsensor, dem Schwingungsdämpfungsregler und dem Frequenzumrichter als Stellglied. Für den Schwingungswinkelsensor gibt es zwei gängige Lösungen: die Encoder-Lösung (Einbau eines Neigungsencoders oder eines 2D-Laserscanners am Haken zur direkten Messung des Seilversatzwinkels, Messbereich ±30°, Genauigkeit ±0,1°) und die Bildverarbeitungslösung (Einbau einer Industriekamera am Endträger oder am Laufwagen, Berechnung des Schwankwinkels und der Abweichung durch Bilderkennung der Positionsänderung der Last, Genauigkeit ±5 mm) .

Einstellung der Parameter des PD-Reglers: Die Proportionalverstärkung Kp bestimmt die Stärke der Korrektur des Schwingwinkels (empfohlener Anfangswert 0,5–1,5, wobei der Überschwingswert dem Drehzahlinkrement des Frequenzumrichters entspricht, das der Korrekturgröße pro Einheit zugeordnet ist), der Differentialverstärkungsfaktor Kd bestimmt die Dämpfungsstärke der Schwankungswinkeländerungsrate (empfohlener Anfangswert 0,1–0,5; ein zu hoher Kd-Wert führt zu hochfrequentem Rauschen). Begrenzung des Reglerausgangs: Die Drehzahlkorrektur darf ±20% der Maximaldrehzahl nicht überschreiten. Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit der Schwingungsdämpfung im geschlossenen Regelkreis: Regelzyklus ≤ 50 ms, Abtastzyklus des Schwingungswinkels ≤ 20 ms, PD-Berechnungszyklus ≤ 10 ms.

Der Vorteil des Regelverfahrens mit geschlossenem Regelkreis liegt in der automatischen Kompensation externer Störungen (Windlasten, Exzentrizität der Last, elastische Veränderungen der Tragseile). Krude Heavy Industry hat bereits in zahlreichen Projekten im Bereich der Präzisionsmontage und automatisierten Lagerhaltung erfolgreich Schwingungsdämpfungssysteme mit geschlossenem Regelkreis eingesetzt und dabei umfangreiche Daten zur technischen Umsetzung sowie Erfahrungen bei der Parametereinstellung gesammelt. Ein Nachteil ist der Bedarf an zusätzlichen Sensoren und hohen Rechenressourcen (empfohlen werden S7-1500 oder spezielle Steuerungen). Das System eignet sich für Anwendungen mit hoher Positioniergenauigkeit, wie z. B. Präzisionsmontage, Transport in Kernkraftwerken und automatisierte Lager. Der technische Leiter von Krued Heavy Industry betont: ”Der Schlüssel zur erfolgreichen Umsetzung einer Schwingungsdämpfung mit geschlossenem Regelkreis liegt in der Auswahl der Sensoren und der Anpassung der PD-Parameter vor Ort. Wir empfehlen auf der S7-1500-Plattform eine Doppelregelkreisstruktur aus Positions- und Geschwindigkeitsregelkreis, bei der die Schwankungswinkelabweichung direkt in einen Geschwindigkeitssollwert umgerechnet wird. Dies gewährleistet sowohl eine schnelle Reaktion als auch die Vermeidung von Integrationssättigungsproblemen.”

Wichtige Punkte bei der Umsetzung von Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung

Bei der technischen Umsetzung des Schwingungsdämpfungssystems für Laufkräne sind die folgenden Punkte zu beachten. In der Systemplanungsphase sind die einschlägigen Anforderungen der Normen GB/T 14405-2011 „Allgemeine Brückenkrane“ und GB/T 28264-2017 „Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem für Hebezeuge“ zu erfüllen, um sicherzustellen, dass die Gesamtkonstruktion, das elektrische System und die Sicherheitsüberwachungsfunktionen den nationalen Normen entsprechen. Punkt 1: Echtzeit-Aktualisierung der Seillänge: Die Impulsintervalle des Eingangsformungsverfahrens müssen dynamisch an die sich ändernde Seillänge angepasst werden. Hierfür gibt es zwei technische Lösungen: Entweder gibt der Bediener vor jedem Hub über die HMI die aktuelle Seillänge ein, oder die SPS berechnet diese automatisch in Echtzeit anhand der vom Encoder gemessenen Hubhöhe. Punkt 2: Überlagerung von Mehrstufengeschwindigkeit und Schwingungsdämpfung: Bei Betrieb mit mehreren Geschwindigkeitsstufen müssen die Impulse des Formers an jedem Geschwindigkeitswechselpunkt überlagert werden. Punkt 3: Stabilität bei niedrigen Geschwindigkeiten: Bei Geschwindigkeiten unter 10 Hz ist die Ausgabe der Korrekturimpulse des Schwingungsdämpfungsalgorithmus instabil. Es wird empfohlen, die Schwingungsdämpfungsfunktion im niedrigen Geschwindigkeitsbereich zu deaktivieren oder auf reine Dämpfungsregelung umzuschalten. Punkt 4: Kopplung von Haupt- und Nebenkran: Beim gleichzeitigen Betrieb von Haupt- und Nebenkran entsteht eine zweidimensionale, zusammengesetzte Schwankungsbewegung; daher müssen für Haupt- und Nebenkran jeweils eigenständige Schwankungsdämpfungsalgorithmen angewendet werden.

Vergleichstabelle für Schwingungsdämpfungslösungen

Häufig gestellte Fragen (FAQ)