起重机和用于监测这种起重机的操作的方法与流程

本发明涉及一种用于监测起重机的操作的方法，其中，确定可能附加有载荷的起重机的整体重心，并且监测其相对于起重机的倾翻边缘(kippkante)的位置。本发明还涉及一种特别是旋转塔式起重机的起重机，其具有用于起重机运动和/或载荷运动的驱动装置以及用于控制驱动装置的起重机控制器，其中，该起重机控制器包括用于监测起重机载荷并在达到临界起重机载荷时限制起重机运动的监测装置。

背景技术：

在诸如建筑起重机等起重机(例如，移动式和/或伸缩式建筑起重机或旋转塔式起重机)的情况下，通常通过起重机控制器或内置在其中的监测装置来监测是否确保起重机的稳定性或者起重机的载荷是否已达到临界载荷限值使得起重机有倒下的危险或以其他方式受到威胁，以便随后可选地及时关闭起重机的相应驱动装置，或者仅允许减小或至少不再增大起重机载荷的起重机运动。在此特别地，例如可以通过确定作用在吊索上的拉力或由此在吊索绞盘上产生的力矩，并且就伸出量(ausladung)而言可以通过吊运车的位置或退绕的吊运车绳索长度来监测提升载荷和提升载荷的伸出量。根据起重机的类型，还能够以不同的方式确定所述尺寸，其中，例如在起重机具有可俯仰起重臂的情况下，可以通过俯仰角和可选地向外伸缩的相应起重臂长度来确定伸出量。

通过确定提升载荷及其伸出量，可以确定作用在起重机上的载荷力矩，可以将其与限值力矩形式的相应载荷限值进行比较，以确保起重机的稳定性。如果监测装置检测到正在提升通常过重的载荷，或某个提升载荷向外移动得过远，起重机控制器例如可以关闭提升驱动器和吊运车驱动器，以便确保起重机的稳定性。

然而，起重机的稳定性不仅取决于所述的提升载荷和伸出量，而且还受其他操作和影响变量(例如，运动速度和加速度)的影响。为此，例如文献de102005035729a1提出了当起重机由于相应的起重机运动而接近其载荷限值时，连续降低起重机驱动器的速度。

此外，起重机的稳定性不仅决定性地取决于起重机承载的载荷力矩，还取决于上面放置或竖立有起重机的支撑基座。通常，起重机由可伸展的底部支撑件支撑在地面上，因此通常存在由通过接触点的连接线定义的支撑四边形。这种支撑四边形使得稳定性具有方向依赖性，这是因为在起重机围绕其竖直的起重机旋转轴线的不同旋转位置，载荷力矩由不同大小的平衡力矩抵消，该平衡力矩是由支撑件上的支撑力的不同力臂产生的。所述支撑件定义倾翻边缘，根据起重机上部分旋转的方向，可旋转的起重机上部分的铰接点与该倾翻边缘之间的距离不同。

另外，最近已经使用了可变可调节的支撑基座，以便能够使支撑系统适用于有限的空间条件。例如，如果起重机处于路边或人行道上非常狭窄的空间条件中，则有时无法完全伸展支撑件以跨越最大的支撑四边形。为了仍然能够在上述安装情况下使用起重机，可以使用一个或多个仅部分伸展的拉索支撑件来操作起重机，这当然影响稳定性且必须被纳入起重机的监测装置的考虑范围。由于底部支座的支撑件的未完全或不同程度的伸展，可能产生偏离正方形或矩形的支撑面，在该支撑面中，由接触点或由通过接触点的连接直线定义的倾翻边缘不再能矩形地或彼此平行地延伸。由于当载荷或起重臂在仅部分伸展的支撑件上旋转时起重机只能吸收更小的载荷力矩，而当带有载荷的起重臂在完全伸展的支撑件上旋转时起重机能够传递更大的载荷力矩，因此再次增加了稳定性的上述方向依赖性。

为了能够在这种可变构造的底部支座的情况下确保起重机安全，文献de102008021627a1建议根据支撑件相应达到的实际位置来确定起重机的倾翻边缘，并确定起重机系统(即，相应悬挂有载荷的起重机)的整体重心。然后，由监测装置检查相应确定的整体重心，以确定其是否位于由倾翻边缘跨越的支撑面内。将整体重心相对于由倾翻边缘定义的支撑面的当前位置显示在起重机驾驶员驾驶室中的显示器上，使得如果整体重心逼近倾翻边缘，起重机操作员可以及时停止起重机运动。

然而，在整体重心及其相对于倾翻边缘的位置的这种监测的情况下，不容易实现如下目标：一方面要实现高效的起重机操作，其中起重机操作员能够利用可用的行进速度将有效载荷从起点移动到目的地，并且另一方面要及时关闭或减慢起重机运动，以便安全地避免临界的起重机载荷。例如，如果要求相应检测的整体重心和倾翻边缘之间保持较大的距离作为安全缓冲，则将严重限制起重机的可移动性或载荷能力。相反地，如果仅要求在整体重心和相应的倾翻边缘之间保持更小的安全距离，则相应的起重机运动可能无法足够快地停止。

技术实现要素：

由此出发，本发明的目的是提供一种改进的起重机和一种改进的用于监测起重机的操作的方法，其避免了现有技术的缺点并且以有利的方式进一步发展了现有技术。特别地，应确保及时限制临界的起重机运动，而不会不必要地限制具有高处理能力的起重机的有效操作。

根据本发明，所述目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求12的起重机来实现。本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。

因此，不仅监测相应检测的整体重心及其与相应倾翻边缘的距离，而且预先估计整体重心在各种操作和影响变量下的可能的偏移，并根据相对于倾翻边缘考虑的未来整体重心位置来估算剩余的载荷和稳定性裕量，以便能够对起重机运动采取必要的限制或对策。根据本发明，确定由各种操作和/或影响变量(包括不同的起重机运动)的可能变化引起的整体重心的可能偏移以及由此导致的未来整体重心位置，然后从未来整体重心位置中选择相对于倾翻边缘最临界的未来整体重心。然后，根据相对于倾翻边缘最临界的未来整体重心的位置，确定可能的起重机运动限制。在考虑各种操作和/或影响变量及其变化的情况下，通过对未来整体重心位置的这种预先确定，可以及时采取必要对策，而不会不必要地限制起重机操作和起重机的性能。

特别地，根据选择的最临界的未来整体重心到最近的倾翻边缘的距离，可以确定伸出量裕量，即在不危及起重机的稳定性的情况下仍能行进的以增加伸出量的距离。在旋转塔式起重机的情况下，所述伸出量裕量可以是起重臂上的吊运车仍可向外移动的距离。然而，考虑到由于起重机的底部支座的通常非圆形的支撑面而导致允许的伸出量具有方向依赖性，还可以根据最临界的未来整体重心到倾翻边缘的所述距离为起重机的可能旋转运动确定移动裕量。例如，如果起重机围绕其竖直的起重机旋转轴线朝向较小地伸展的支脚向右旋转，则可以根据作为移动裕量的所述距离来限制向右的旋转角。

可以从多个可能的未来整体重心位置中确定所述最临界的未来整体重心，例如根据可能的未来整体重心与起重机的支撑基座的倾翻边缘的距离来确定。如果所有确定的可能的未来整体重心都位于由支撑基座的倾翻边缘跨越的支撑面之内，则可以选择与倾翻边缘相距最近的整体重心作为最临界的整体重心。然而，如果一个或多个可能的未来整体重心位于所述支撑基座的外部，则可以选择位于外部的整体重心或与倾翻边缘相距最远的整体重心。

根据选择的最临界的整体重心到最近的倾翻边缘的距离，可以确定剩余的载荷或稳定性裕量，其中，对于所述未来整体重心位于支撑基座外部的情况，将获得负的载荷裕量，这可能例如导致监测装置关闭起重机。

有利地，用于确定未来整体重心的装置不仅考虑各种可能的起重机运动以及由此产生的惯性力(例如，由起重机的可能的旋转运动、可能的提升和/或可能的吊运车运动引起的惯性力)，而且还考虑其他的影响变量。

特别地，可以确定可由风载荷引起的整体重心的可能偏移。例如，可以为此使用如下风力，该风力根据能够操作起重机的最大允许风速得出，或者由当前风速和所述最大允许风速之间的差值得出。

在此有利地，可以确定和考虑不同的风向以及由此导致的整体重心的不同偏移，其中有利地，仅需要考虑对起重机的稳定性具有不利影响的一个或多个风向。例如，为了确定整体重心的可能偏移，可以考虑以最大允许风速从后方吹来的风和/或从侧面吹来的风。

在本发明的改进示例中，为了确定整体重心的可能偏移，还可以确定起重机的结构变形，该结构变形可以是由当前的操作和/或影响变量和/或这些操作和/或影响变量的变化引起的。特别地，例如可以计算起重机变形以及由此引起的整体重心的偏移，该偏移例如是由在一定风速下风从正面或从侧面吹来的情况下的给定风载荷引起的。替代地或补充地，还可以计算起重机变形，这可以是由载荷提升和/或吊运车移动和/或起重机围绕其竖直的起重机旋转轴线的旋转和/或起重臂的向下或向上摆动导致的惯性力引起的。

例如，如果通过移动吊运车来增大旋转塔式起重机上的起重吊钩上悬挂的载荷的伸出量，则整体重心不仅由于吊运车的行进路径而向外偏移，而且还由于塔架的由此导致的弯曲变形而向外偏移。例如，当由于来自后方的阵风使塔架向前变形时，整体重心能够以类似的方式偏移。

此外，对于整体重心的偏移，可以确定和考虑离心力。一方面，如果起重机围绕其竖直的起重机旋转轴线旋转，则这种离心力可以根据起重吊钩的下降深度而向外牵拉重吊钩上的载荷。另一方面，如果除了载荷之外相应的离心力矩也在起重机上牵拉，则塔架或可伸缩的俯仰起重臂也可能出现额外的变形。

作为上述影响变量的替代或补充，例如也可以考虑某些故障状态及其对整体重心偏移的影响。特别地，可以考虑绳索断裂及其对整体重心偏移的影响。这种对绳索断裂的考虑可能意味着：一方面，整个系统缺少吊钩载荷及其在整体重心中的份额，并且另一方面，由于先前存在的在载荷下的变形的复位，吊钩载荷的突然断裂会使动态载荷作用在起重机上，特别是以朝向起重机的后侧施加的载荷的形式作用在起重机上。

关于要确定的可能位移以及由此产生的未来整体重心，将有利地考虑所有可能的起重机运动，其中，可以在所有的运动轴线都的两个方向中的每一者上都进行考虑。在旋转塔式起重机的情况下，特别可以考虑吊运车的向外和向内移动、起重吊钩的提升和降低以及起重臂围绕竖直的起重机旋转轴线的向右和向左旋转。

为了确定由这种吊运车行进、起重吊钩的提升和降低以及起重臂的旋转或其他起重机运动引起的惯性力，可以将起重机控制器预定的最大运动速度和/或加速度用作基础。如果监测装置尚未对移动速度进行任何限制，则可以将最大移动速度和加速度用作基础。如果例如由于已接近允许的载荷限值而已经限制了行进速度或单独的行进速度，则可以基于已限制的速度和/或加速度确定惯性力，并由此计算出整体重心的可能偏移。

原则上，监测装置根据相对于倾翻边缘最临界的可能的未来整体重心位置执行的限制可以是不同类型的。例如，可以例如通过设定减小的最大速度和/或通过设定起重机驱动器的单独驱动(其中多个起重机驱动器中的仅一个可以同时操作)来限制所有的起重机驱动器。

特别地，监测装置还可以尤其根据作为偏移和由此产生的整体重心的基础的起重机运动来选择性地选择或实施要执行的限制，该整体重心随后被选为最临界的整体重心。如果最临界的整体重心例如由起重机的逆时针旋转运动导致(例如这是因为这将导致仅部分伸展的支撑件)，则在仍可以不受限制地进行起重吊钩的上升和下降运动的同时，监测装置可以例如将旋转机构锁定在相应的旋转方向上。除了所述选择性的限制之外，还可以防止、限制或限定增大倾翻力矩的进一步起重机运动，例如旋转塔式起重机的吊运车的进一步向外移动。

在本发明的有利改进示例中，根据底部支座的支撑件的相应伸展状态来确定起重机的倾翻边缘，以便能够考虑不同的支撑件构造。例如，传感器可以检测相应支撑件的当前伸展状态，以便随后根据检测的伸展值来确定支撑基面或倾翻边缘，该支撑基面或倾翻边缘可以根据通过接触点的连接线来确定。

有利地，倾翻边缘的位置和/或朝向也可以从数据存储器中获得，在该数据存储器中可以针对不同的伸展状态存储了倾翻边缘及其位置和朝向。

起重机控制器的监测装置可以基于各个实际状态，特别是基于相关参数的各个当前传感器值，分别计算出整体重心的可能偏移和可能的未来位置以及它们相对于倾翻边缘的位置。在此，监测装置将当前的整体重心作为起始点，并根据可能的操作和影响变量及其可能的变化(例如，起重机驱动器的驱动、所述风力或可能的变形)来确定当前整体重心的可能偏移以及由此产生的可能的未来整体重心，以便随后以所述方式执行起重机运动的限制。

然而，替代地或补充地，理论上可能的未来重心位置的确定也可以在起重机控制器和监测装置外部进行，特别是预先基于模型进行，该模型考虑了起重机的各种可能的配置状态，并考虑了相关的操作和/或影响变量及其可能的变化。使用模型预先计算出的参数集可以例如通过存储有各个参数集的数据存储器提供给起重机的控制装置或监测装置。然后，监测装置仅需要访问所述参数集，并根据当前的整体重心和/或旋转机构、吊运车、起重吊钩和/或起重臂的当前位置来分别调用相关的参数集，该参数集包含未来重心位置并适用于相应的当前起重机位置和构造。

附图说明

下面将根据优选的示例性实施例和相关附图更详细地说明本发明。

图1示出了移动式旋转塔式起重机的示意性侧视图，该旋转塔式起重机的塔架支撑在可旋转的上部结构上并承载带有吊运车的起重臂，并且其底盘通过可伸展的支撑件支撑在地面上。

图2示出了图1的起重机的俯视图，其示出了由底部支座的伸展的支撑件定义的倾翻边缘以及当前重心位置和可能的未来重心位置以及由可能的未来重心位置和由此产生的稳定性裕量引起的有效载荷的可能移动。

图3示出了当底部支座的支撑件完全伸展时针对不同的提升载荷和不同的起重臂位置得到的允许伸出量或伸出量限值的图。

图4示出了类似于图3的但在底部支座的支撑件未完全伸展的情况下针对不同的提升载荷的伸出量限值的图。

具体实施方式

如图1所示，起重机1可以被构造为移动式建筑起重机或移动式旋转塔式起重机，其包括支撑在旋转平台3上的塔架2，该旋转平台3位于底盘4上，并且能够通过旋转机构驱动装置9围绕竖直旋转轴线旋转。所述底盘4可以被构造为载重汽车或能够以其他方式移动，但可选地也可以是牢固地锚固或支撑的支撑基座。

塔架2可以承载起重臂5，该起重臂可以围绕水平的、横向延伸的俯仰轴线上下俯仰(参见图1)。用于起重臂5的俯仰驱动装置12可以例如通过拉索装置使起重臂5俯仰。

吊运车6可以以能够纵向移动的方式安装在所述起重臂5上，并且吊运车驱动装置11可以例如经由相应的吊运车绳索来移动吊运车6。吊索8可以在所述吊运车6上运行，以便以已知的方式提升载荷，载荷吊具(例如，起重吊钩7的形式)可以捆接在该吊索上。为此，提升机构驱动装置10可以相应地驱动吊索卷筒。

可选地并因此仅简述，起重机可以包括其他驱动装置，例如可以提供具有伸缩驱动装置13的可伸缩起重臂、用于调节压载物的压载调节驱动装置15或用于移动整个起重机的移动驱动装置14(这在移动式建筑起重机的所示实施例中通常不是这种情况，因为其被顶起以提升载荷)。

通过中央起重机控制器16控制各种驱动器，该中央起重机控制器能够以已知的方式为起重机操作员提供相应的操作杆或其他输入构件，使得操作员可以控制起重机的不同移动轴线。起重机控制器16包括监测装置17，该监测装置17通过合适的传感器来监测作用在起重机上的起重机载荷(特别是起重吊钩7承载的提升载荷)以及起重吊钩7相对于起重机的直立基座的伸出量。所述伸出量例如可以通过吊运车6在起重臂5上的位置并且可选地根据起重臂5相对于水平面的俯仰角来确定。

所述驱动装置和/或可由其移动的起重机元件的位置和操作状态可以通过相应的传感器来监测，使得起重机控制器16或监测装置17了解各个当前起重机位置，即尤其了解围绕竖直的起重机旋转轴线18的旋转角并且因此了解起重臂5的朝向、吊运车6的位置(与塔架2的距离)、起重吊钩6的下降深度和可选的起重臂5的俯仰角以及压载物的位置。另外，可以例如通过用于测量提升机构10的载荷的提升载荷传感器来确定起重吊钩6承载的载荷。

根据起重机1的这些当前状态变量，监测装置17可以确定由起重机1以及附加在起重吊钩7上的提升载荷组成的整个系统的当前整体重心，尤其确定如图2所示的当前整体重心相对于由底部支座19定义的接触区域的位置。

在图2中，整体重心的当前位置用字母y表示，该位置可以由监测装置17从所述的状态变量了解或确定，并例如可以从针对起重机构造确定的参数集中来计算或读出。

此外，所述监测装置17可以确定倾翻边缘20，该倾翻边缘是穿过底部支座19的接触点的连接线。如图2所示，底部支座19可以例如包括四个支撑件，它们可以成对地朝向底盘4的相对侧伸展，并且可以在各个伸展位置降低到地面上。如图2所示，底部支座19的支撑件可以不同程度地伸展，从而可以产生由倾翻边缘20定义的支撑面的不同几何形状。在此，原则上，所述支撑件可以任意地(例如，无级地或逐步地)伸展，从而可以产生任意数量的不同地构造的接触面或支撑面。然而，实际上，有意义的是，支撑件可能仅允许一些有限的伸展状态，例如，每个支撑件可以伸展1/4、2/4、3/4和4/4或例如1/3、2/3和3/3。由此产生的倾翻边缘20及其朝向可由监测装置根据传感器信号来计算，或者也能够针对允许和/或检测的伸展状态(存储在参数集中的值的形式)读出。

根据当前的整体重心(在图2中用y表示)，监测装置17可以确定整体重心的偏移，并且相应地确定可能的未来整体重心位置(在图2中用x表示)，其中，可以针对不同的操作和/或影响变量和/或它们的变化确定可能的偏移。

特别地，对于当前整体重心到可能的未来整体重心的可能偏移，可以考虑不同的起重机运动，即例如起重机围绕竖直的起重机旋转轴线18的旋转、起重吊钩7上的载荷的提升或降低、吊运车6的移动、起重臂5的向上或向下摆动、起重臂5的可能的向内和向外伸缩和/或压载物的移动。

除了可能的起重机运动和由此产生的惯性力以外，在确定重心位置的可能偏移时还可以考虑起重机上的外部影响变量。特别地，可以考虑起重机1上的风力或风载荷。

例如，当风从后方推挤塔架时，实际上能够以附加在起重吊钩上的额外惯性力的形式来考虑这种风载荷。替代地或补充地，也能够以整体重心的实际偏移的形式来考虑这种风力，特别是由于风使起重吊钩上承受的提升载荷偏转，其中，在此必要时可以考虑起重吊钩7的下降深度，这是因为与在起重吊钩移动以靠近吊运车时相比，在起重吊钩更深地下降时风可以使载荷更多地偏转。然而，替代地或补充地，如上所述，还可以考虑起重机的变形，特别是由于风载荷引起的塔架2的弯曲。例如，如果风力从后方推挤塔架2，则塔架将朝向起重臂3向前稍微变形，由此增大了起重吊钩7的伸出量并与此相应地移动了系统的整体重心。

为了确定可能的未来整体重心x，还可以特别考虑起重机1的变形，该变形不仅可能由于风载荷而以所述的方式发生，而且还可能由于其他载荷变量而发生，该其他载荷变量特别是起重吊钩7接纳的提升载荷以及由起重机1的旋转、吊运车6的移动、起重吊钩7的上升和下降或其他所述的起重机运动产生的惯性力。

由于起重机结构及其在载荷下的变形特性是已知的，因此可以根据所述的惯性力、风力和作用在起重机上的其他载荷来计算或确定起重机的变形。例如，起重机结构的这种变形可以根据模型来确定，其中，可以将针对不同的载荷大小出现的变形保存为参数集，并且可调取地提供给起重机控制器16或监测装置17。替代地，也可以根据影响变量直接计算所述变形。

可以说，从当前的整体重心及其位置开始，监测装置17通盘考虑可能的操作变量和影响变量及它们可能的变化(特别是可能的起重机运动、可能的风载荷和可能的起重机变形)，并由此确定各种可能的偏移以及产生的可能的未来重心位置(在图2中用参考变量x表示)。

监测装置17分析可能的未来重心位置x相对于倾翻边缘20的相对位置，并选择最靠近其中一个倾翻边缘20的一个位置作为最临界的未来整体重心。在图2中，除了字母x之外，该临界的未来整体重心还由参数xk表示。

根据临界的未来整体重心xk与最近的倾翻边缘20的距离，监测装置17可以确定剩余的载荷或稳定性裕量，然后从所述载荷或稳定性裕量中确定例如在向外移动吊运车6或向下摆动起重臂5或向外伸缩起重臂5的情况下还可以将起重机的伸出量增大多少。

以所述方式根据临界的未来整体重心确定的在仍能确保稳定性的同时给出的可移动性或伸出量增大量在图2中由连接两个吊运车位置a和b的箭头表示。

考虑到倾翻边缘20以及由于支撑件的伸展而可能改变的相应伸出量和位置，监测装置17可以针对附加在起重吊钩7上的每个提升载荷确定起重机1的所有起重臂位置或旋转位置下的有效载荷(nutzlast)的可能的新位置。在图2中用附图标记21表示在所有起重臂位置下的有效载荷的这些可能的新位置，并得到一个(近似且粗略地说的)四边形，其主轴大致定向为底部支座19的通过支撑件的伸展状态确定的接触区域的主轴。

如图2所示，对于起重吊钩6上承载的特定提升载荷，该伸出量限值21是方向相关的，并且针对不同的起重臂位置或者根据起重臂5围绕竖直起重机旋转轴线18的旋转角发生变化。

如图3所示，对于不同的有效载荷或附加在起重吊钩7上的不同的提升载荷，可以相应地确定分别变得越来越大或越来越小的伸出量限值21，根据该伸出量限值，起重机1或其监测装置17了解到仍可以通过相应的起重机运动将附加在起重吊钩7上的载荷移动多远。由于所述伸出量限值21并非围绕起重机旋转轴线18形成圆形，而是具有(近似且粗略地说的)矩形或四边形的轮廓，因此所述伸出量限值21不仅可以通过向外移动吊运车6或向下摆动起重臂5来实现，而且还可以通过起重机1围绕其竖直的起重机旋转轴线18的旋转来实现。

相应地，监测装置17可以选择性地关闭和/或减慢和/或限制导致达到或进一步靠近所述伸出量限值21的起重机运动，即，特别是向外移动吊运车6以及围绕起重机旋转轴线18的相应旋转运动。

比较图3和图4可以看出，底部支座19的支撑件的不同伸展状态产生不同形状的伸出量限值21。

因此，用于监测起重机操作的所述方法以及与此相关的具有适当地设计的监测装置的相应起重机特别具有以下优点：

-计算方法在此允许了解整个系统的所有可能的重心位置，这些可能的重心位置可能由于外部影响(例如，风)、惯性力、某些故障状态(例如，绳索断裂)或其他影响而产生。

-根据当前的起重机构造和载荷位置，考虑在操作期间可能出现的具有相关重心位置的所有系统状态。

-在本方法中，在确定重心位置时要考虑起重机系统的变形。

-在此，在所有被调查状态之中，使用会导致与系统倾翻相关的最低安全级别或超过单个部件载荷的那些状态。

-基础计算方法被设计为满足针对各个现有的起重机构造和当前存在的起重机使用所指定的计算规则和计算标准。

-该方法预先为所有可能的系统状态提供了系统的可能重心位置。由此，可以随时为起重机上部分和载荷的所有可能的运动方向确定允许的载荷位置和相关倾翻度，并将其用于控制起重机运动。

-在确定允许的载荷大小和载荷位置时，还使用了存储在控制器中的额外限制。因此，可以考虑参与组件的其他限制的系统状态。

-支撑压力可以存储在控制器中，并用于额外的监测/冗余。