Stoßdämpfung für Krane
Ein Kranstoßdämpfer wird unter dem Haken in den Laststrang eingebaut. Er wandelt eine plötzliche Belastung, etwa durch einen absackenden Pfahl oder einen Laststoß beim Abheben, über seinen Hub in eine kontrollierte Kraft um. Funktionsweise, Auslegung des Hubs und Ergebnisse eines Pfahldurchlaufs mit 1,500 t.
- Ein Kranstoßdämpfer ist ein Hydraulikzylinder mit Gasfeder, der zwischen Haken und Last in den Laststrang eingebaut wird. Wenn die Last ruckartig angezogen wird, fällt oder absackt, fährt er ein und hält die Seilkraft nahe einem eingestellten Wert, statt eine Kraftspitze entstehen zu lassen.
- Er muss die kinetische Energie der bewegten Last aufnehmen. Dafür steht die zulässige Spitzenkraft abzüglich der statischen Last zur Verfügung. Der erforderliche Hub ergibt sich aus diesem Verhältnis.
- Eine erste Abschätzung: Bei 90 % nutzbarem Hub, einem Kraft-Hub-Faktor von 0.5 und einem zulässigen DAF von 1.3 benötigt eine mit 3.13 m/s eintreffende Last etwa 3.7 m Hub.
- In einer vergleichenden CONSTELLATION-Studie zu einem Pfahldurchlauf mit 1,500 t bei 5.0 m/s begrenzte POLARIS den DAF am Haken auf 1.43, gegenüber 2.28 bei einer starren Verbindung. Dabei nutzte das System 4.98 m seines Hubs von 6.0 m.
Seegangskompensatoren gleichen die wiederkehrende Wellenbewegung aus. Ein Stoßdämpfer wirkt bei einem einzelnen Ereignis: Ein Pfahl sackt durch eine weiche Schicht ab, während der Kran den Hammer hält; eine Last wird beim Absinken eines Versorgungsschiffs ruckartig von dessen Deck abgehoben; ein schlaffes Anschlagmittel wird plötzlich straff. Ohne Stoßdämpfer wird die Bewegung allein durch die Dehnung von Kranseil und Anschlagmitteln gestoppt. Dieser Dehnweg ist kurz, entsprechend hoch ist die Kraft.
Was ein Stoßdämpfer bewirkt
Bei einem gleichmäßigen Hebevorgang trägt der Dämpfer die statische Last wie ein Verbindungsglied im Anschlagmittel. Wird die Last ruckartig angezogen, fällt oder sackt sie ab, nutzt das Gerät seinen Hub. Seine Gasfeder nimmt den ersten Teil des Ereignisses auf. Danach öffnet ein Ventil bei einem eingestellten Druck, sodass die Seilkraft auf einen vorgegebenen Wert ansteigt und in dessen Nähe bleibt, während die bewegte Last zum Stillstand kommt. Die Energie des Ereignisses erwärmt das Öl, statt eine Kraftspitze in Kran, Seil und Anschlagmitteln zu erzeugen.
Die Form dieser Kraft-Hub-Kurve bestimmt, wie viel vom Hub wirksam genutzt wird. Steigt die Kurve rasch zur zulässigen Spitzenkraft an und bleibt dort, wird der Hub gut genutzt. Bei einem langsamen Anstieg bleibt der erste Teil ungenutzt. Dieser Anteil wird in der folgenden Auslegungsabschätzung durch den Faktor η beschrieben.
Hubauslegung
Das Ereignis bringt kinetische Energie mit: die effektive bewegte Masse m_{\text{eff}} bei der relativen Eingriffsgeschwindigkeit v_{\text{rel}}. Sie lässt sich oft einfacher als entsprechende freie Fallhöhe ausdrücken: h:
Der Dämpfer kann über seinen nutzbaren Hub die Kraft oberhalb der statischen Last bis zur zulässigen Spitze einsetzen. Dabei ist W_{\text{ref}} die statische Last, auf die sich der DAF bezieht, \psi_{\text{allow}} der zulässige DAF, S der Hub, \mu dessen nutzbarer Anteil und \eta der Anteil des Rechtecks, den die Kraft-Hub-Kurve bis zum Stillstand der Last ausfüllt (Abbildung 1). Damit beträgt die aufnehmbare Energie:
Setzt man beide Energien gleich, ergibt sich der Hub für eine erste Abschätzung:
Hier werden \mu = 0.9, als Reserve an den Endanschlägen und \eta = 0.5 durchgehend verwendet, sowohl im Rechenbeispiel als auch in Abbildung 2. Reale Kurven füllen etwa die Hälfte des Rechtecks: Die Kraft braucht einen Teil des Hubs, um sich aufzubauen, und nimmt ab, wenn die Last langsamer wird. In der unten beschriebenen Studie zum Pfahldurchlauf füllte die Kurve etwa 0.53 des Rechtecks über den genutzten Hub von 4.98 m. Daher liegt 0.5 nahe daran und ist konservativ.
Rechenbeispiel
- Das Ereignis. Eine Last trifft mit der Geschwindigkeit ein, die einem freien Fall aus h = 0.50\ \text{m}: v_{\text{rel}} = \sqrt{2 g h} \approx 3.13\ \text{m/s}.
- Die Grenzwerte. Zulässiger DAF 1.3, effektive Masse gleich der Referenzmasse, \mu = 0.9 und \eta = 0.5.
- Der Hub. Bei gleichen Massen vereinfacht sich die Abschätzung zuS \ge \frac{h}{\mu\, \eta\, (\psi_{\text{allow}} – 1)}alsoS \ge \frac{0.50}{0.9 \cdot 0.5 \cdot 0.3} \approx 3.70\ \text{m}Ein Gerät mit 4 m Hub erfüllt die Abschätzung.
Die Abschätzung prüft nur die Energie. Die tatsächliche Spitzenkraft ergibt sich aus der eingestellten Kraft-Hub-Kurve zusammen mit der Steifigkeit von Kran, Seil und Anschlagmitteln. Eine transiente Analyse bestätigt, dass der zulässige DAF mit Hubreserve eingehalten wird.
Abgleich mit einem Pfahldurchlauf
In unserer vergleichenden CONSTELLATION-Studie CS-2026-005, bei der Pfahl und Hammer mit zusammen 1,500 t bei 5.0 m/s absacken, wurde dasselbe Modell mit einem einzigen Parametersatz zweimal gerechnet: einmal mit einer starren Verbindung, einmal mit einem POLARIS für 2,000 t und 6.0 m Hub.
| Ergebnis | Starre Verbindung | Mit POLARIS |
|---|---|---|
| Maximale Seilkraft | 37.7 MN | 23.6 MN |
| DAF am Haken, bezogen auf die statische Last von 16,553 kN | 2.28 | 1.43 |
| Rückschwingungen mit vollständig schlaffem Seil nach dem Abbremsen | 2 | 0 |
| Genutzter Hub | – | 4.98 m von 6.0 m |
Die Abschätzung stimmt überein. Die bewegte Masse von 1,500 t bringt bei 5.0 m/s
Bei einer statischen Hakenlast von 16,553 kN, dem in der Studie erreichten DAF und \mu\, \eta = 0.9 \cdot 0.5 = 0.45, kann jeder Meter Hub
aufnehmen. Die Abschätzung ergibt daher 18.75 / 3.203 \approx 5.85\ \text{m} Hub. Das Gerät mit 6.0 m Hub erfüllt die Abschätzung; in der Simulation wurden 4.98 m genutzt. Studie zum Abbremsen des Pfahldurchlaufs lesen →
Stoßdämpfer oder Seegangskompensator?
Für ein einzelnes Ereignis kommt ein Stoßdämpfer infrage; bei wiederholter Wellenbewegung oder einer Aufgabe mit dauerhaftem Seilzug Seegangskompensation. Beim Abheben von einem Versorgungsschiff zeigt sich die Grenze: Wenn das Schiff absinkt und das Seil die Last aufnimmt, tritt der Laststoß einmal pro Hebevorgang auf. Ein Stoßdämpfer wie POLARIS nimmt ihn auf. Bleibt die Last mit dem bewegten Deck verbunden, ist ein Seegangskompensator zuständig. Bei den Anwendungsfällen dazwischen entscheiden die Häufigkeit des Ereignisses, die erforderliche Rückstellzeit, die Wärme aus wiederholten Ereignissen und der verfügbare Hub.
Zwei Bauweisen
Bei herkömmlichen Stoßdämpfern sitzt die Gasfeder in externen Druckspeichern. Der Durchfluss wird durch eine Drossel gesteuert, die einstellbar sein kann. POLARIS, unsere leichte Bauweise, nutzt ein kleines Gasvolumen in einem einzigen Hydraulikzylinder und steuert den Durchfluss mit per CFD ausgelegten Ventilen.
| Eigenschaft | Mit Druckspeichern | POLARIS |
|---|---|---|
| Funktionsprinzip | Gasfeder in externen Druckspeichern mit hydraulischer Drossel | Kleines internes Gasvolumen und per CFD ausgelegte Ventile in einem Zylinder; keine externen Druckspeicher oder Nadelventile |
| Einstellung | Die Drossel kann einstellbar sein | Ventil und Voreinstellung für das angegebene Ereignis ausgewählt |
| Gewicht und Platzbedarf | Externe Druckspeicher erhöhen Gewicht und Platzbedarf an Deck | Weniger Bauteile, daher bei vergleichbarer Aufgabe leichter und kompakter |
| Vorbereitung | Befüllen der Druckspeicher und Einstellen des Ventils je nach Konfiguration | Kein Befüllen externer Druckspeicher; Voreinstellung je nach Konfiguration |
| Bezugsquelle | Mehrere Anbieter | Patentiert (norwegisches Patent NO 349575); ausschließlich von Norwegian Dynamics geliefert |
Häufig gestellte Fragen
Was bewirkt ein Kranstoßdämpfer?
Er wird unter dem Haken in den Laststrang eingebaut und wandelt eine plötzliche Belastung über seinen Hub in eine kontrollierte Kraft um. Wird die Last ruckartig angezogen, fällt oder sackt sie ab, nutzt das Gerät seinen Hub und hält die Seilkraft nahe einem eingestellten Wert, während die Last zum Stillstand kommt. So werden Kran, Seil und Anschlagmittel nicht der Kraftspitze einer starren Verbindung ausgesetzt.
Wie wird der Hub eines Kranstoßdämpfers ausgelegt?
Zuerst die Energie abschätzen: S \ge m_{\text{eff}}\, v_{\text{rel}}^{2} / \left( 2 \mu \eta W_{\text{ref}} (\psi_{\text{allow}} – 1) \right), wobei \mu den nutzbaren Anteil des Hubs und \eta den von der Kraft-Hub-Kurve ausgefüllten Anteil bezeichnet. Anschließend die tatsächliche Spitzenkraft anhand der eingestellten Kraft-Hub-Kurve und der Steifigkeit von Kran, Seil und Anschlagmitteln prüfen.
Brauche ich einen Stoßdämpfer oder einen Seegangskompensator?
Ein Stoßdämpfer ist für ein einzelnes Ereignis vorgesehen: einen Pfahldurchlauf, einen Laststoß beim Abheben oder ein Anschlagmittel, das plötzlich straff wird. Die Seegangskompensation dient wiederholten Wellenbewegungen und Aufgaben mit dauerhaftem Seilzug. In den Zwischenfällen entscheiden die Häufigkeit des Ereignisses, die erforderliche Rückstellzeit, die Wärme und der verfügbare Hub.
Kann ein Stoßdämpfer den Laststoß beim Abheben von einem Versorgungsschiff aufnehmen?
Ja. Wird eine Last vom Deck eines Versorgungsschiffs abgehoben und sinkt das Schiff ab, kann das Seil plötzlich straff werden. Ein Stoßdämpfer im Laststrang wie POLARIS begrenzt diese Kraftspitze. Für Hebevorgänge, bei denen die Last mit dem bewegten Deck verbunden bleibt, eignet sich ein Seegangskompensator besser.
Was bewirkte POLARIS in der Studie zum Pfahldurchlauf?
In unserer vergleichenden CONSTELLATION-Studie CS-2026-005, bei der Pfahl und Hammer mit zusammen 1,500 t bei 5.0 m/s absacken, lag der DAF am Haken bei 2.28 mit starrer Verbindung und bei 1.43 mit einem POLARIS für 2,000 t. Die maximale Seilkraft sank von 37.7 MN auf 23.6 MN. Das Gerät nutzte 4.98 m seines Hubs von 6.0 m. Nach dem Abbremsen gab es keine Rückschwingung mit vollständig schlaffem Seil (bei starrer Verbindung waren es zwei).
Wie schützt ein Stoßdämpfer die Tragfähigkeit des Krans?
Indem er die maximale Seilkraft unter dem Wert hält, den die Traglasttabelle des Krans für den Hebevorgang zulässt. Eine niedrigere, nachgewiesene Spitzenkraft oder ein niedrigerer DAF kann in der zutreffenden Tabellenposition Reserven erhalten. Prüfen Sie die Lastdefinition, den Radius und die Konfiguration der Tabelle sowie die Referenzlast und die Projektkriterien.
Quellen und Annahmen
- Die Abschätzung beruht auf einer Energiebilanz für die effektive bewegte Masse, mit \mu = 0.9 und \eta = 0.5 im gesamten Text. η berücksichtigt nur die Kraft oberhalb der statischen Last, bis die Last zum Stillstand kommt; am Auslegungspunkt der Abschätzung entspricht das dem nutzbaren Hub. Rückgerechnet aus CS-2026-005 (1,500 t bei 5.0 m/s, 16,553 kN statische Last, DAF 1.43, 4.98 m genutzter Hub) beträgt der Wert etwa 0.53. Der Energieabsorptionsgrad auf der POLARIS-Seite ist ein anderes Verhältnis (gesamte Kraft zur Spitzenkraft), weshalb er höher ist.
- Die Ergebnisse zum Pfahldurchlauf stammen aus unserer veröffentlichten CONSTELLATION-Studie CS-2026-005, einer Modellstudie und keiner zertifizierten Projektanalyse.
- Bei der endgültigen Auslegung werden die eingestellte Kraft-Hub-Kurve, Steifigkeit und Vorspannung von Kran, Seil und Anschlagmitteln, Hubreserve, Häufigkeit des Ereignisses, Rückstellung und Wärmeentwicklung sowie Umgebungsbedingungen und Projekt- oder Klassenvorgaben geprüft.
Stoßdämpfung unter dem Haken vorsehen?
Senden Sie uns:
- die bewegte Masse und die statische Last, an der sie hängt
- die Eingriffsgeschwindigkeit oder die freie Fallhöhe beziehungsweise die Strecke des Pfahldurchlaufs
- die zulässige Spitzenkraft oder den DAF und die zugehörige Referenzlast
- den verfügbaren Hub und die verfügbare Bauhöhe
- wie oft das Ereignis eintritt und wo
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