Resultierend aus der Erkenntnis, dass keine Standard Hub-Portalkräne für die speziellen Einsatzbedingungen und Anforderungen auf dem freien Markt verfügbar waren, beschloss die Firma Max Bögl Transport und Geräte GmbH & Co. KG einen Hub-Portalkran nach eigenen Anforderungen konzipieren und herstellen zu lassen. Somit wurde als Gemeinschaftsprojekt der Firma Max Bögl Transport und Geräte GmbH & Co. KG und der Firma Grunau & Schröder Maschinentechnik (GSM) ein mobiler Hub- Portalkran (Travellift) mit 65t Nutzlast entwickelt.
 

GSM ist ein seit 1993 bestehendes Dienstleistungsunternehmen im Bereich maschinenbautechnischer Konstruktionen und ist Teil der Bauer Maschinen GmbH. Die Firma Max Bögl Transport und Geräte GmbH & Co. KG ist Teil der Firmengruppe Max Bögl, einem der fünf größten Bauunternehmen Deutschlands. GSM übernahm die Umsetzung vom Konzept bis zur Fertigstellung des Prototypens eines mobilen Hub-Portalkrans mit 65 t Nutzlast.

Zur Einführung in das Projekt fand die Machbarkeitsprüfung und Vordimensionierung des Geräts statt. Bei der Vordimensionierung wurde das Grundgerüst der mechanischen, elektronischen und hydraulischen Systembaugruppen entworfen. Aufbauend auf diesem Entwurf fand eine umfangreiche Beachtung der geltenden Richtlinien, Normen und Sicherheitsvorschriften statt. Die Ausarbeitung der Maschinensicherheit und die detaillierte, statische Berechnung der Tragwerksstruktur wurden in enger Zusammenarbeit mit externen Unternehmen durchgeführt.

Die Vielseitigkeit der Konstruktionsaufgabe und des Projektmanagements über den gesamten Projektverlauf zeigte sich bei der Ausarbeitung des Gesamtkonzepts, der Koordination von Beschaffung, der Kommunikation und Abstimmung mit externen Unternehmen und der Terminsteuerung. In der weiteren Projektabwicklung wurde die Detailauslegung der antriebstechnischen Komponenten für das Fahrwerk, das Hubwerk und das Hydraulikaggregat umgesetzt. Für die Detaillierung fanden entsprechende Konstruktionsprogramme wie Solid Works 2015, Automation Studio und AUTOCAD Anwendung.

Simulation der Hubwindensteuerung

Bei der Projektierung einer Hubwindensteuerung wurde unter Berücksichtigung der Betriebszustände das sichere Halten der Hubwinden simuliert. Als hydraulisch- elektrische Simulationssoftware kam Automation Studio von der Firma Famic Technologies zur Anwendung.

Geprüft wurde im Speziellen das Verhalten der aufgeflanschten Senkbremsventileinheiten, auf den Hydraulikmotoren der Hubwinden, bei den folgenden Betriebszuständen:

• Stoppen der Hubwinden bei Zurücknahme des Steuerhebels
• Stoppen durch Steuerungsausfall = Not-Halt Kategorie 1, keine elektrische Energie, Dieselmotor läuft weiter
• Stoppen durch Dieselmotor Ausfall = Not-Halt Kategorie 0

Der kritischste Betriebszustand, Not-Halt Kategorie 0, wird im Folgenden näher erläutert.

Darstellung der Simulationsbaugruppen

Bild 1 zeigt die wichtigsten Komponenten für die Simulation. Alle abgebildeten Darstellungen sind beim Lastheben simuliert.

Der Antrieb mit Kupplung überträgt die Leistung über das Verteilergetriebe in die untere Hauptpumpe und in die obere Speisepumpe. Von der Hauptpumpe fließt das Medium (rote Linie mit Pfeil in Flussrichtung) über den Steuerschieber in die Senkbremsventileinheit und schließlich zum Hydraulikmotor. In der Senkbremsventileinheit wird der Bremskolben durch den Lastdruck angesteuert und über die integrierte Bremslüftventileinheit (2/2 Wegeventil + Druckreduzierventil) wird die Lamellenbremse geöffnet.

Der Rücklauf des Hydraulikmotors (blaue Linie mit Pfeil in Flussrichtung) muss über den Bremskolben zum Steuerschieber zurückfließen. Somit bleibt die Last im dargestellten Regelbetrieb hydraulisch durch den Bremskolben eingespannt.

Abbildung 1: Simulation Hubwindensteuerung

In Bild 2 werden das Stoppen des Dieselmotors und das damit verbundene Blockieren der Hydraulikpumpen, durch das Trennen der Kupplung simuliert. Hierbei werden folgende Situationen deutlich:

• Durch den geschalteten Steuerschieber bleibt der Lastdruck am Senkbremsventil bestehen und baut sich nur langsam über die Spaltleckagen ab (siehe Messstelle MI-6).
• Durch den anstehenden Hochdruck wird die integrierte Bremslüftventileinheit weiter mit Druck gespeist und die Lamellenbremse bleibt somit offen. Die Last stützt sich weiterhin auf dem Bremskolben ab und wird auf der hydraulischen Ölsäule gehalten (siehe Messstelle MI-8).
• Durch das Halten der Last auf der hydraulischen Ölsäule wird eine mögliche Bewegung jedoch nicht vollständig gestoppt. Über eine Spaltleckage im Hydraulikmotor existiert weiterhin eine kriechende Drehung die optisch an den Winden nicht sichtbar ist.
• Ohne die kontinuierliche Einspeisung von Hydrauliköl über die Speisepumpe kann der Hydraulikmotor kein Öl bei der kriechenden Drehung nachsaugen und beginnt zu kavitieren. Dieses Phänomen ist durch den stetig steigenden Unterdruck an der Messstelle MI-9 und die Drehzahlangabe am drehenden Rad zu erkennen. Bei weniger als einer Umdrehung unter Kavitation kann der Motor die Last nicht halten und rutscht durch.
• Des Weiteren wird festgestellt, dass die integrierte Bremslüftventileinheit bei der Stellung des Steuerschiebers in Neutralstellung (ABT-Verbindung), ca. 1-3 Sekunden benötigt um die Lamellenbremsen einfallen zu lassen. Bei dem Betriebszustand „Motorstop – Schieber weiterhin elektronisch betätigt“ waren bis zu 6 sec. Messbar.

Abbildung 2: Simulation Hubwindensteuerung / Motor Stopp ohne zus. Bremslüftventil

Bild 3 zeigt den realistischen Vergleich zwischen der Automation-Studio-Simulation und der tatsächlichen Messungen an der Anlage:

• Blaue Linie: Anstehender Lastdruck zum Heben des Bauteils
• Türkise Linie: Abfangen der Last auf Bremskolben mit Tendenz zum Rutschen der Last (Kavitation)
• Schwarze Linie: verzögertes Entlasten des Steuerdrucks auf den Lamellenbremsen
• Grüne Linie: Unterversorgung der Nachspeisung für die Hubwindenmotoren

Abbildung 3: Reale Messung Hubwindensteuerung / Motor Stopp ohne zus. Bremslüftventil

Um diese gefährlichen Grenzsituationen zu eliminieren, wird in der weiteren Simulation zwischen dem integrierten Bremslüftventil, der Senkbremsventileinheit und der Lamellenbremse ein zusätzliches Bremslüftventil als 3/2-Wegeventil eingesetzt. Die Integration ist in Bild 4 ersichtlich.

Beim Trennen der Motorkupplung fällt der Strom an der Ventilspule ab und das zusätzliche Bremslüftventil öffnet die Lamellenbremse direkt zum Tank. Somit bleibt die Hublast bei einfallender Lamellenbremse sofort stehen. Gemessen wurde eine Schaltzeit von ca. 50 ms. Die Simulation veranschaulicht, dass trotz des fehlenden Volumenstroms der Speisepumpe (Messpunkt MI-11) kein Unterdruck am Messpunkt MI-9 entsteht und daraus resultierend die Last nicht rutscht bzw. Sicher gehalten wird. Der eingespannte Druck an Messpunkt MI-8 zwischen Motor und Bremskolben resultiert aus der gefahrenen Hublast vor dem Einfallen der Lamellenbremse und baut sich über die Spaltleckage langsam ab.
 

Abbildung 4: Simulation Hubwindensteuerung / Motor Stopp inkl. Zus. Bremslüftventil

Bild 5 zeigt erneut den realistischen Vergleich mit der tatsächlichen Messung. Bei dem Fall „Dieselmotor-Stopp“ fällt die Lamellenbremsen (schwarze Linie) unmittelbar ein, wodurch die Last mechanisch sicher gehalten wird und sich nicht mehr hydraulisch auf dem Bremskolben des Senkbremsventils abstützt. Der Last- und Bremsdruck baut sich über die Spaltleckage langsam ab. Somit ist ein sicherer Betrieb der Hubwinden gewährleistet.

Innerhalb der Simulation in Automation Studio wurde die Funktionstauglichkeit der ursprünglichen Idee bestätigt. Auf diese Weise konnte die Konstruktion einer fehlerhaften Schaltung, die nicht über ein zusätzliches Bremsventil verfügt, verhindert werden und so mögliche folgende Personen- und Sachschäden vermieden werden.
 

Abbildung 5: Reale Messung Hubwindensteuerung / Motor Stopp inkl. Zus. Bremslüftventil