Aktive Schwingungsdämpfung für Feuerwehrdrehleitern

Höher, schneller und nicht zuletzt sicherer – das sind die Anforderungen an moderne Feuerwehrdrehleitern, Hubrettungsfahrzeuge mit einem telekopierbaren Leitersatz, an dessen freien Ende ein Rettungskorb oder eine Arbeitsplattform befestigt werden kann. Anforderungen an die Stellflächen für die Einsatzfahrzeuge, einschließlich der zulässigen Belastung, sind in Deutschland durch deutsche und europäische Normen vorgegeben und begrenzen dadurch die zulässigen Achslasten. Um trotz begrenzter Achslast eine möglichst hohe Höhe zu erreichen und dabei die Bewegungsgeschwindigkeiten sowie die horizontale Ausladung der Drehleitern zu maximieren, werden die Leitersätze in Leichtbauweise gefertigt. Dabei sind in Deutschland Rettungshöhen von 30 m üblich. In anderen Ländern, insbesondere im Nahen und Fernen Osten, werden Rettungshöhen von 50 m und mehr erreicht.

Durch die Leichtbauweise verringert sich die Steifigkeit des Leitersatzes gegenüber einer Konstruktion aus Vollmaterial und die Leiter neigt zu spürbaren Schwingungen und Vibrationen in mehrere Eigenfrequenzen. Diese Schwingungen werden durch Verfahrbewegungen in den einzelnen Achsen induziert oder durch äußere Einflüsse angeregt, wie z.B. Windangriff und sich plötzlich ändernde Beladungszustände. Diese Schwingungen aktiv zu dämpfen ist der Schwerpunkt eines Forschungsprojektes, dass seit 1998 in enger Kooperation unseres Instituts mit IVECO Magirus, dem Marktführer im Bereich der Feuerwehrdrehleitern, stetig fortgeschrieben wird. Die wesentlichen Themen sind:

• Aktive Schwingungsdämpfung der ersten beiden Eigenmoden über die hydraulischen Aktuatoren (Version 3)
• Portierung des Regelalgorithmus auf die gesamte Produktpalette von IVECO Magirus
• Teach-In Betrieb mit einer vollautomatischen Trajektorienfolgeregelung des Endeffektors (Korb/Plattform)

Die am ISYS entwickelte Regelung trägt maßgeblich zur Verbesserung sowohl der Sicherheit als auch der Leistungsmerkmale der Drehleiter bei, da Schwingungen in horizontaler und vertikaler Richtung weitestgehend eliminiert werden. Seit Drehleitern von IVECO Magirus mit einer aktiven Schwingungsdämpfung (Version 1.0) ausgerüstet wurden, konnten die maximal zulässigen Bewegungsgeschwindigkeiten deutlich erhöht werden, bei gleichzeitig höherem Komfort für den Anwender. Die aktive Schwingungsdämpfung ist dabei zu einem wichtigen Alleinstellungsmerkmal des Herstellers IVECO Magirus geworden.

Der teleskopierbare Leitersatz ist auf einer hydraulisch drehbaren Plattform aufgebaut und kann mittels zweier Hydraulikzylinder aufgerichtet und geneigt werden. In der Nähe der Einspannstelle des Leitersatzes sind Dehnungsmessstreifen appliziert. Diese messen die Dehnung des Leitersatzes in longitudinaler und lateraler Richtung. Zusätzlich befinden sich an der Leiterspitze Gyroskope, die Drehraten in allen drei Raumrichtungen erfassen. Die Informationen der Messsysteme werden fusioniert und hinsichtlich der Amplituden der Schwingungsmoden ausgewertet.

Mit wachsender Leiterlänge wächst auch der Einfluss höherfrequenter Schwingungsmoden auf das Systemverhalten. Diese müssen beim Reglerentwurf berücksichtigt werden. Dabei kommen zwei Konzepte zum Einsatz: Bei Leitern bis 30 m ist nur die Grundschwingung dominant, so dass nur diese aktiv gedämpft werden muss. Höhere Moden weisen eine verhältnismäßig hohe Eigendämpfung auf, so dass diese durch den Regler lediglich nicht angeregt werden dürfen (Version 2). Mit steigender Leiterlänge sinkt die Dämpfung der Oberschwingungen, so dass bei Leitern mit Rettungshöhen höher als 30 m neben der Grundschwingung auch Oberschwingungen im Regler berücksichtigt werden (Version 3).

Entsprechend unterscheiden sich auch die mathematischen Modelle, die für den Regelungsentwurf herangezogen werden. Version 2 basiert auf dem Modell eines steifen Mehrkörpersystems, in dem die Antriebsdynamik sowie die Elastizitäten in longitudinaler und lateraler Richtung durch konzentrierte Parameter berücksichtigt werden. In der Version 3 wird der Leitersatz als örtlich verteilter Biegebalken (System mit verteilten Parametern) mit einer konzentrierten Masse am freien Ende (Korb und bis zu drei voll ausgerüstete Feuerwehrleute) betrachtet. Dabei sind die Modellparameter des Biegebalkens über die Leiterlänge nicht konstant.

Die aktive Schwingungsdämpfung ist dezentral aufgebaut, d.h. jede Bewegungsachse wird getrennt für sich betrachtet und geregelt. Die Regelung jeder Achse ist dabei in einer 2-Freiheitsgrad-Struktur entworfen. Bei beiden Versionen basiert die Vorsteuerung auf dem mathematischen Modell des Mehrkörpersystems. Mittels der Theorie der differenziell flachen Systeme wird diese so ausgelegt, dass durch die Antriebe möglichst wenig Schwingungen induziert werden. Für das Modell mit konzentrierten Parametern (Version 2) kann direkt eine Rückführung entworfen werden. Beim verteilt-parametrischen Modell wird die Schwingung in einzelne Moden zerlegt. Für den Reglerentwurf werden dann die Schwingungsmoden mit einer Eigenfrequenz, die unterhalb der Grenzfrequenz der Antriebe liegen, berücksichtigt.