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Aktive Schwingungsdämpfung für Feuerwehrdrehleitern

Projektbeschreibung

Magirus M42L-AS Höher, schneller, vielseitiger einsetzbar und nicht zuletzt sicherer – das sind die Anforderungen an moderne Feuerwehrdrehleitern mit ihrem telekopierbaren Leitersatz, an dessen oberem Ende ein mit Rettungskorb angebracht ist. Dabei sind in Deutschland Rettungshöhen von 30 m üblich. In anderen Ländern, insbesondere im Nahen und Fernen Osten, werden dagegen auch 50 m und mehr erwartet und erreicht.

Aufgrund der großen Längen ist es praktisch nicht möglich den als Fachwerk ausgeführten Leitersatz so zu auszulegen, dass im Betrieb keine Schwingungen auftreten. Schwingungen werden dabei durch Verfahrbewegungen in den einzelnen Achsen induziert oder können durch äußere Einflüsse, wie z.B. Windangriff und sich plötzlich ändernde Beladungszustände, angeregt werden. Diese Schwingungen aktiv zu dämpfen ist der Schwerpunkt eines Forschungsprojektes, dass seit 1998 in enger Kooperation unseres Instituts mit Magirus, dem Marktführer im Bereich der Feuerwehrdrehleitern, stetig fortgeschrieben wird. Die wesentlichen Themen sind:

  • Aktive Schwingungsdämpfung der relevanten Eigenmoden jeder Bewegungsachse über die hydraulischen Aktuatoren
  • Portierung des Regelalgorithmus auf die gesamte Produktpalette von 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 Magirus mit einer aktiven Schwingungsdämpfung 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 Magirus geworden.

Für die Schwingungsdämpfung werden nur die am Fahrzeug vorhandenen Antriebe verwendet, so dass keine zusätzliche Aktorik notwendig ist. Dabei ist der teleskopierbare Leitersatz auf einer hydraulisch drehbaren Plattform aufgebaut und kann mittels zweier Hydraulikzylinder aufgerichtet und geneigt werden. Zur Erfassung der Schwingungen sind in der Nähe der Einspannstelle des Leitersatzes 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 hieraus die einzelnen Schwingungsmoden rekonstruiert, die dann aktiv gedämpft werden. Dabei ist bei Leitern bis 30 m im Wesentlichen nur die Grundschwingung zu berücksichtigen, da höhere Moden eine verhältnismäßig hohe Eigendämpfung aufweisen. Mit steigender Leiterlänge sinkt die Dämpfung der Oberschwingungen, so dass bei größeren Leitern neben der Grundschwingung auch Oberschwingungen im Regler berücksichtigt werden müssen. Zudem treten insbesondere bei Drehleitern mit Gelenkarm, wie der oben abgebildeten neuen 42 m-Leiter mit Einzelauszugstechnik und Gelenkarm, beim Drehen zudem verkoppelte Biege- und Torsionsschwingungen auf.

Abhängig vom Auftreten von Oberschwingungen wird für den Reglerentwurf entweder das Modell eines starren Mehrkörpersystems, in dem die Elastizitäten durch konzentrierte Feder-Dämpfer-Elemente berücksichtigt werden, oder das Modell eines örtlich verteilten Biegebalkens (System mit verteilten Parametern) mit konzentrierter Endmasse (Korb und bis zu vier voll ausgerüstete Feuerwehrleute) verwendet. In letzterem Fall sind die Modellparameter des Biegebalkens über der Leiterlänge nicht konstant. Der Gelenkarm wird durch spezielle Randbedingungen in das verteiltparametrische Modell des Biegebalkens einbezogen.

Auf dem Modell aufbauend wird eine dezentrale Schwingungsdämpfung entworfen, d.h. jede Bewegungsachse wird getrennt für sich betrachtet. Für jede Achse wird dabei ein Regler in einer 2-Freiheitsgrad-Struktur entworfen. In dieser werden jeweils die Schwingungsmoden mit Eigenfrequenzen, die unterhalb der Grenzfrequenz der Antriebe liegen, berücksichtigt.

Partner

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Kontakt

Dipl.-Ing./M.Sc. Alexander Pertsch  mailto icon E-Mail

Publikationen

Übersicht der Publikationen der Großraumrobotik-Gruppe