Echtzeitfähige Belastungsbestimmung mechanischer Bauteile eines Radladers

Da zur Sicherung von Wettbewerbsvorteilen und Kundenbindung die Life-Cycle-Kosten von Systemen immer mehr in den Fokus der Maschinenhersteller rücken, ergeben sich Entwicklungsziele wie beispielsweise höhere Verfügbarkeiten, bedarfsgerechte Wartungsintervalle, sowie eine Minimierung von Stillstandszeiten und -kosten.
Auf eine mobile Arbeitsmaschine wirken Belastungen, die mitunter durch die zu erfüllende Arbeitsaufgabe, die Umweltrandbedingungen und den Bediener gekennzeichnet sind. Im praktischen Einsatz einer mobilen Arbeitsmaschine weisen die Maschinenbediener häufig keine große Erfahrung im Umgang mit der Maschine auf, beispielsweise im Einsatz von Fahrzeugen im Baugewerbe. ... mehrDie Erfüllung der Arbeitsaufgabe hat dabei gegenüber dem Maschinenzustand und der Lebensdauer der Maschine Vorrang. Die Situation verschärft sich durch die Tatsache, dass Unternehmer, gerade im Bereich von Zusatz- und Spezialmaschinen, bevorzugt Mietfahrzeuge zum Einsatz bringen und damit die Bediener ständig mit neuen Fahrzeugen konfrontiert sind. Aufgrund der personenindividuellen Steuerungscharakteristika der Bediener führt dies aus Fahrzeugsicht zu sich ständig verändernden Bewegungsabläufen und Lastsituationen. Die damit im Betrieb häufig auftretende hohe Belastung kann zu einem vorzeitigen Ausfall der Maschine führen. Dies hat zur Folge, dass zum einen die Tätigkeiten zur Erfüllung der Arbeitsaufgabe nicht weiter verrichtet werden können und zum anderen eine Instandsetzung oder im schlimmsten Fall ein Neuerwerb der Maschine notwendig ist. Beide Auswirkungen resultieren in einem wirtschaftlichen Schaden für den Betreiber.
Die Arbeitsaufgabe und die durch die Umwelt gegebenen Randbedingungen lassen sich unter der Zielfunktion, das geforderte Arbeitsergebnis bei gleichzeitiger Minimierung der Komponentenbelastung zu erreichen, häufig nur schwer beeinflussen. Die Bedienung des Fahrzeugs bietet dahingegen einen evidenteren Freiheitsgrad um die Schädigung zu minimieren. Mit auf die äußeren Bedingungen und die Arbeitsaufgabe angepassten Fahrzeugsteuerungssystemen, die den Fahrer und das Fahrzeug zu einem schädigungsärmeren Betriebsverhalten anleiten, können so die Belastungen und die Schädigungen reduziert und folglich die Betriebs- und anfallenden Instandhaltungskosten gesenkt werden. Abschließende Konsequenz ist eine höhere Verfügbarkeit der Maschine. Für ein derartiges Steuerungssystem ist die Kenntnis über die aktuell vorliegende Belastung und die Belastbarkeit von Komponenten einer mobilen Arbeitsmaschine von wesentlicher Bedeutung. Die Entwicklung einer Methode zur echtzeitfähigen Belastungsbestimmung am Beispiel der Schwinge eines Radladers ist daher Inhalt dieses Beitrages.

The lifecycle costs of systems are moving more and more into the focus of machine manufacturers to ensure competitive edges and strengthen customer relations. This results in development goals such as higher availability, maintenance intervals according to requirements, and minimized outages and downtime costs.
Mobile machines are subjected to loads which, occasionally, are characterized by the working task, the environmental boundary conditions and the operator. In practical use of mobile machines, some operators are not very experienced in handling a machine, for instance when using machines in the construction industry. ... mehrIn these cases, performing the job enjoys priority over the state of a machine and its service life. The situation is aggravated by the fact that entrepreneurs, especially in the fields of add-on and special machines, prefer to use leased vehicles, thus the operators are confronted with new machines all the time. Because of the individual control characteristics of operators, this results in permanently changing sequences of motions and load situations for the machine. The high loads occur frequently in operation and can lead to premature failure of a machine. As a result, it will be impossible to continue the activities needed to fulfil the working task and, on the other hand, it may be necessary to repair or even scrap a machine and buy a new one. Both consequences result in economic harm for the machine owner.
In the many cases it is difficult to influence the working task and the environmental conditions established by the environment in the light of the objective, e.g. to achieve the required result while simultaneously minimizing component load. On the other hand, operation of a vehicle offers a more evident degree of freedom in minimizing damage. Vehicle control systems adapted to external conditions and the working task, which make operators and vehicles perform under operating conditions less prone to result in damage, thus can reduce loads and defects and, consequently, also reduce operating and maintenance costs. The final consequence is a higher availability of the machines.
A control system of this kind requires knowledge of current loads and load-bearing capabilities of components of a mobile machine. Developing a method of real-time load determination as shown for the boom of a wheel loader therefore is the content of this article.