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Pendeldämpfende Regelung flexibler Turmdrehkrane

Aktive Dämpfung der Lastpendel- und Struktur-Schwingungen großer obendrehender Turmkrane mit elastischer Stahlstruktur

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Beispielhafte Strukturverformung eines Turmdrehkrans

Da die Lastpendelschwingungen von Turmkranen nahezu ungedämpft sind, erfordert es viel Übung und Konzentration, die Lasten sicher und ohne Nachpendeln an der Zielposition abzuladen. Assistenzsysteme mit aktiver Schwingungsdämpfung erleichtern dem Kranführer daher die Bedienung, was zu einer verbesserten Arbeitssicherheit und erhöhten Umschlagsleistung führen kann.

Obendrehende Turmdrehkrane sind komplexe mechanische Systeme, die in Leichtbauweise konstruiert werden, um schnell und einfach an neuen Baustellen aufgestellt werden zu können. Aufgrund der leichten Fachwerkstrukturen mit großen Ausmaßen treten im alltäglichen Betrieb bei Belastung Verformungen auf, die zu Schwingungen der gesamten Stahlstruktur führen. Die Strukturelastizitäten stellen eine hohe Herausforderung an den Entwurf einer aktiven Schwingungsdämpfung dar, da eine Vernachlässigung dieser zur Instabilität führen kann und sie deshalb explizit mitmodelliert werden müssen. Unter anderem aus diesem Grund haben sich Pendeldämpfungssysteme für Turmdrehkrane in der Praxis noch nicht durchgesetzt.

Ziel des Forschungsprojekts ist eine aktiv dämpfende Regelung der Lastpendelbewegungen unter Berücksichtigung von Strukturschwingungen.

Hierzu wird zunächst ein detailliertes regelungsorientiertes dynamisches Modell der Turmkrane in Form eines flexiblen Mehrkörpersystems hergeleitet, das neben einem genauen Modell der Stahlbaudynamik auch Antriebs-, Seil- und Pendeldynamik umfasst. Dieses dient als Grundlage für den Entwurf einer modellbasierten Zustandsregelung. Die Systemzustände der Pendelauslenkung und Strukturverformungen werden durch einen Beobachter geschätzt. Um Zielpositionen oder Geschwindigkeiten der Last ohne Überschwingen erreichen zu können, wird eine Zwei-Freiheitsgrade-Regelungsstruktur eingesetzt, welche die Regelung um eine flachheitsbasierte Vorsteuerung ergänzt. Eine prädiktive Trajektoriengenerierung auf Basis der Handhebelsignale plant die Kranbewegungen so, dass die Last ihr Ziel schnell und ohne Nachpendeln erreicht.

Bearbeiter

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M.Sc.

Florentin Rauscher

Wissenschaftlicher Mitarbeiter