Komponenten und Antriebe, u. A. Hubwerke, Getriebe, Bremsen, Fahrantriebe
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Komponenten- und System-Überblick
Die Krananlage ist ein mechatronisches Gesamtsystem, in dem Hubwerk, Getriebe, Bremsen, Fahrwerke, Antriebe, Lastaufnahmemittel, Energiezuführung sowie Sensorik und Steuerung eng verzahnt zusammenwirken. Die Leistungsfähigkeit entsteht aus der präzisen Auslegung der Einzelkomponenten und ihrer robusten Systemintegration, während die Sicherheit durch redundante Mechanismen, funktionale Sicherheitsfunktionen und kontinuierliche Zustandsüberwachung gewährleistet wird. Damit bildet der dargestellte Komponenten- und Systemüberblick die Grundlage für weiterführende Auslegung, Validierung und Optimierung.
Hauptkomponenten einer Krananlage haben funktionale Wechselwirkungen. Im Zentrum stehen das Hubwerk mit Motor, Trommel und Seil, die Kraftübertragung über Getriebe und Bremsen, die Lauf- und Fahrwerke, die elektrischen Antriebe inklusive Frequenzumrichter, die Lastaufnahmemittel (Haken/Unterflasche), die Energiezuführung sowie die Sensorik und Steuerung für Betrieb und Sicherheit. Neben der Einzelbeschreibung werden Schnittstellen, Auslegungsaspekte und typische Fehlermodi adressiert, um das Systemverständnis auf Komponenten- und Systemebene zu schärfen.
Bauteile und Antriebssysteme in Krantechnik
- Hubwerk
- Getriebe
- Bremsen
- Fahrwerk und Laufräder
- Frequenzumrichter
- Haken und Unterflasche
- Energiezuführung
- Sensorik und Steuerung
- Schnittstellen und Systemintegration
- Zuverlässigkeit
Hubwerk: Motor, Trommel und Seil
Das Hubwerk ist die zentrale Funktionseinheit zur vertikalen Lastbewegung. Es besteht aus einem elektrischen Motor, einer Seiltrommel und einem hochfesten Drahtseil (alternativ Kette bei Kleinhebezeugen).
Motor:
Einsatz meist drehmomentstarker, kurzschlussfester Asynchronmaschinen oder permanenterregter Synchronmaschinen. Durch den Frequenzumrichterbetrieb sind feldorientierte Regelung, hohes Anfahrmoment und präzise Geschwindigkeitsvorgaben möglich.
Thermische Auslegung folgt dem Lastkollektiv (z. B. FEM-Klassen nach EN), mit Temperaturüberwachung (PTC/NTC) zur Schutzabschaltung.
Lagerung und Lüftung sind auf hohe Lastwechselzahlen ausgelegt; optional erhöhter IP-Schutz für rauen Betrieb.
Trommel:
Dimensioniert nach Mindestseildurchmesserverhältnis (D/d), um Seilbiegewechsel zu begrenzen und Lebensdauer zu erhöhen.
Mit spiral- oder schraubenförmiger Seilrille zur definierten Seilablage, häufig mit Flansch zur Seilführung. Oberflächenhärtung reduziert Abrieb.
Endscheiben und Seilbefestigung redundant ausgeführt; Seilanpressrollen (Fleet- oder Seilpressrollen) stabilisieren die Wicklung.
Seil:
Mehrlagige, anwendungsspezifische Konstruktionen (z. B. 6x36, drehungsarm, kompaktierte Litzen) mit Schmierung zur Reduktion von Reibung und Korrosion.
Auslegung über Sicherheitsfaktoren gegen Bruch und Mindestbruchkräfte; zyklische Biegewechselfestigkeit bestimmt Wartungsintervalle.
Zustandsüberwachung über Sichtprüfung, Drahtbruchsensorik oder Zählsysteme für Biegewechsel; definierte Austausch- und Ablegekriterien.
Das Getriebe transformiert Motordrehzahl in das erforderliche Hubmoment. Üblich sind mehrstufige Stirnrad- oder Kegelstirnradgetriebe in kompakten, flanschfähigen Bauformen.
Auslegungsparameter: Drehmomentreserve, Wirkungsgrad, Geräuschverhalten, Lagerlebensdauer und Ritzelfestigkeit unter stoßartiger Last. Sicherheits- und Servicefaktoren berücksichtigen das reale Lastkollektiv.
Schmierung mittels Ölbad oder Spritzschmierung; Ölzustandsmonitoring (Temperatur, Partikel) erhöht Verfügbarkeit.
Torsionsdämpfende Kupplungen zwischen Motor und Getriebe kompensieren Fluchtungsfehler und reduzieren Lastspitzen.
Bremsen stellen den sicheren Halt der Last und kontrollierte Verzögerung sicher. In Kranen dominieren federbetätigte, elektromagnetisch gelüftete Sicherheitsbremsen, die im stromlosen Zustand geschlossen sind.
Typen: Scheiben- und Trommelbremsen am Motor- oder Getriebeabtrieb. Mehrfache Bremsen (seriell oder redundant) erhöhen die funktionale Sicherheit.
Steuerung: Koordination mit der Antriebsregelung (Bremsvorsteuerung, Bremsrampe). Sichere Abschaltfunktionen (STO) sorgen dafür, dass Bremsen erst nach Drehmomentabbau öffnen/schließen, um Verschleiß zu minimieren.
Überwachung: Bremsluftspalt- und Temperaturüberwachung; periodische Bremsentests zur Diagnose der Bremskraft.
Fahrwerke ermöglichen Katzfahrt (Querbewegung) und Brückenfahrt (Längsbewegung). Sie bestehen aus Antriebsgruppen mit Laufrädern, Achsen, Rahmen und Führungen auf Kran- oder Kranbahnschienen.
Laufräder: Hochbelastbare, häufig vergütete Radstähle mit integralen Spurkränzen. Profil und Härte sind auf Schienengeometrie und Radlasten abgestimmt.
Antriebseinheiten: Motor-Getriebe-Kombinationen mit elastischer Kupplung; Radsatzlenkung und Pendellagerung kompensieren Toleranzen.
Radlastverteilung: Rahmensteifigkeit, Ausgleichslenker oder Drehgestelle minimieren Lastspitzen und Schienenverschleiß.
Führung und Spurhaltung: Spurmaßtoleranzen, Resilienz gegen Schiefstellung; Anti-Derailment-Sicherungen.
Frequenzumrichter (FU) bilden das Herz der Antriebsregelung. Sie erlauben energieeffiziente, dynamische und präzise Bewegungen aller Achsen.
Regelung: Feldorientierte Regelung (FOC) oder direkte Drehmomentregelung (DTC) für schnelles Momentenverhalten. Encoder- oder sensorlose Regelung je nach Genauigkeitsanforderung.
Energiepfade: Zwischenkreis mit Bremschopper und externem Widerstand oder rückspeisefähige Active-Front-End-(AFE)-Technologie zur Energierückgewinnung.
Funktionale Sicherheit: Sichere Abschaltung (STO), Safe Limited Speed (SLS), Safe Brake Control (SBC) in Kombination mit Sicherheitssteuerungen.
EMC und Netzqualität: Filter, Drosseln und Erdungskonzepte reduzieren Oberschwingungen und leitungsgebundene Störungen; Berücksichtigung von Netzkoditionen (Spannungseinbrüche).
Die Lastaufnahmeeinheit umfasst Haken, Hakenmaulverschluss, Hakenträger und die Unterflasche mit Seilscheiben (Umlenkrollen). Sie ist auf die Nenntragfähigkeit und Sicherheitsreserven ausgelegt.
Haken: Geschmiedete Sicherheits- oder Lasthaken mit Verriegelung; periodische Prüfung auf Rissbildung und Öffnungsmaßänderung.
Unterflasche: Mehrscheibige Anordnung erlaubt Übersetzungen (z. B. 2/1, 4/1, 6/1), reduziert Seilzugkräfte und erhöht Tragfähigkeit. Lagerung reibungsarm, Fluchtungsgenauigkeit minimiert Seilverschleiß.
Drehwirksamkeit: Drehwirbel oder drehungsarme Seile reduzieren Verdrehmomente und Pendelaufbau.
Zusatzausrüstung: Lastwirkeinrichtungen (z. B. Greifer, Magnete) über definierte Schnittstellen; Einbindung in Sicherheitskette (Überlastsperre).
Die Energieversorgung der bewegten Achsen erfolgt typischerweise über Stromschienen- oder Kabelsysteme.
Stromschiene:
Geschützte Kupferschienen mit Schleifkohlen an der fahrbaren Einheit. Hohe Stromtragfähigkeit, geringe Verluste und geringer Kabelverschleiß.
Segmentierung erlaubt speisetechnische Redundanz und Einspeisungspunkte zur Spannungsstabilität.
Schutzkonzepte gegen Kontamination, Feuchte und Lichtbogenbildung; regelmäßige Kontrolle des Bürstenverschleißes.
Schleppkette/Energiekette (festoon/energy chain):
Trägersysteme für Steuer- und Leistungskabel, ggf. Fluidleitungen. Geeignet für komplexe Achswege oder korrosive Umgebungen.
Biegeradius und Füllgrad der Kette bestimmen Kabellebensdauer; torsionsfähige Leitungen für drehende Bewegungen.
Zugentlastungen, mitwandernde Klemmenkästen, EMV-gerechte Trennung von Leistung und Signal.
Die Mess- und Steuerungstechnik verknüpft alle Komponenten zu einem sicheren, bedienbaren System.
Positions- und Endlagenüberwachung:
Mechanische Grenztaster und induktive Näherungsschalter für Referenzpunkte; redundante Endschalterkaskade (Betriebs- und Notendschalter) mit sicherem Abschaltpfad.
Absolutwertgeber an Trommel/Antrieb für genaue Hakenhöhenbestimmung; Seilauslauf- und Schlappseildetektion.
Kraft- und Lastmessung:
Messbolzen, Scherstegaufnehmer, Lasthaken mit integrierter Messzelle oder Seilscheibenmessung zur Überlastdetektion und Lastanzeige.
Signalverarbeitung mit Filterung gegen Dynamikspitzen; Plausibilitätsprüfungen (z. B. Vergleich zu Antriebsdrehmoment).
Bewegungs- und Zustandsüberwachung:
Beschleunigungs- und Neigungssensoren für Schwingungsdämpfung (Anti-Sway), Erkennung von Schräglast und Anprall.
Schwingungsanalyse an Getriebe und Lagern; Temperatur- und Feuchtesensorik in Gehäusen.
Sicherheitssteuerung:
Sicherheits-SPS mit Performance Level (PL) oder SIL-konformen Funktionsblöcken für Not-Halt, Geschwindigkeitsbegrenzung, Überlastsperre und Endlagen.
Sichere Antriebsfunktionen (STO, SLS, SSM) über sichere Feldbusse; zweikanalige Architektur mit Diagnosen.
Interlocks für Kollisionsvermeidung (z. B. Kran-zu-Kran, Kran-zu-Endanschlag), Windüberwachung bei Außenanlagen.
Die Leistungs- und Informationsflüsse koppeln mechanische, elektrische und digitale Subsysteme:
Mechanisch: Moment- und Kraftpfade vom Haken bis zum Motor; die Steifigkeit bestimmt Eigenfrequenzen und Regelbarkeit.
Elektrisch: Energiepfad Netz–Umrichter–Motor–Rekuperation; Schutzkonzepte (Kurzschluss, Erdschluss, Überspannung).
Informationstechnisch: Sensorik–Steuerung–Antrieb mit zyklischen Echtzeitdaten, Diagnosekanälen und sicherheitsgerichteten Signalen.
Zuverlässigkeit, Wartung und Diagnose
Redundanz: Doppelte Endlagen, mehrkanalige Sicherheitsfunktionen, ggf. redundante Bremsen.
Zustandsbasierte Instandhaltung: Kombination aus Lastkollektiv-Erfassung, Schwingungs-/Ölmonitoring und Ereignisprotokollierung.
Verschleißteile: Seil, Bremsbeläge, Bürsten/Schleifleiter, Lager und Räder mit definierten Grenzwerten und Austauschstrategien.
Cyber-physische Aspekte: Fernzugriff für Diagnose, sichere Updates, Ereignisdatenrekorder zur Ursachenanalyse.