In Beton gegossen

Dehnungssensoren – Bei Autobetonpumpen geht der Trend zu größeren Reichweiten bei weniger Gewicht. Die Firma Schwing ist eine der Weltmarktführerinnen. Um den Bedienungskomfort der Autobetonpumpen mit großem Ausleger zu erhöhen, hat das Unternehmen eine innovative Schwingungsdämpfung auf den Markt gebracht. Für die präzise Signalgebung der auftretenden Auslenkungen am Ausleger hat Schwing in Partnerschaft mit Baumer Electric AG einen neuen Dehnungssensor mit der Schutzart IP 69K und einem außergewöhnlich großen Messbereich entwickelt.

19. März 2019
In Beton  gegossen
Autobetonpumpen von Schwing haben immer größere Ausleger. (Bild: Schwing)

von Thomas Hertig, Produktmanager Kraft & Dehnung, Baumer

Seit der Gründung in den 1930er-Jahren Jahren entwirft, konstruiert und verkauft die Schwing GmbH mit Hauptsitz in Herne, NRW, Maschinen und Anlagen für Erstellung, Transport und Wiederaufbereitung von Beton wie etwa Mischanlagen, Fahrmischer, stationäre Betonpumpen oder mobile Autobetonpumpen - und ist damit einer der weltweit größten Hersteller der Branche: Ob zur Betonage eines Swimmingpools im Vorgarten eines Einfamilienhauses oder zur Realisierung öffentlicher Prestigeobjekte wie das One World Trade Center in New York oder die dritte Bosporusbrücke in der Türkei – die Maschinen und Anlagen kommen überall dort zum Einsatz, wo Beton für dauerhafte Stabilität sorgt. Mit sechs Produktionsstätten und Niederlassungen beziehungsweise Vertretungen in mehr als 100 Ländern ist es das Ziel des Unternehmens, effiziente, zuverlässige und dauerhafte Lösungen weltweit zu bieten. Durch den hohen Eigenfertigungsanteil bei den Kernkomponenten garantiert es strenge Prüfprozesse und hohe Produktqualität. An den Standorten Herne, Chennai (Indien) und Sao Paulo (Brasilien) produziert die Schwing-Gruppe Automobilpumpen verschiedener Größen und Typen. In Herne werden auch die Modelle mit den längsten Verteilermasten hergestellt. Mit einem neuen Mastbetriebskonzept, hochfesten Stählen, weniger Gewicht und mehr Bedienkomfort sollen sie die Antwort auf die steigenden ökonomischen, ökologischen und ergonomischen Anforderungen sein.

Immer höher hinaus

Immer höher hinaus

Die modernen Verteilermasten erreichen mittlerweile Höhen von fast 65 Metern. Mit leistungsfähigen Zweikolbenpumpen und einem Druck von bis zu 85 bar fördern sie bis zu 164 Kubikmeter Beton pro Stunde. Dabei entstehen naturgemäß Vibrationen am Ausleger. Um den Endkunden einen verbesserten Bedienkomfort am Betonendschlauch zu bieten, hat Schwing ein Konzept zur Schwingungsdämpfung vorgestellt, bei dem auch die Hydraulikelemente komplett überarbeitet wurden.

Dabei kam der Bedarf nach einem präzisen Signalgeber auf, der die Dehnungen vom Signalmast aufnimmt, die durch die Bewegungen am gesamten Verteilermast verursacht werden und die Führungsgröße für die Schwingungsdämpfung darstellt. Bei einem Kraftsensor wäre es notwendig gewesen, ihn mechanisch in den direkten Kraftfluss vom Arm einzubauen und exakt an die Maschinengeometrie anzupassen. Dieser Aufwand in der Entwicklung wurde drastisch reduziert, da die Bewegung über die Dehnung erfolgt. Eine Krafteinwirkung erzeugt in einer mechanischen Struktur immer Dehnungen. Diese Dehnungen sind von der Geometrie der zu messenden Struktur und des E-Moduls abhängig.

»In enger Partnerschaft mit der Baumer Electric AG haben wir einen kundenspezifischen, innovativen Dehnungssensor entwickelt, der alle Herausforderungen mühelos meistert«, erklärt Reiner Vierkotten, Senior Engineer Control Systems bei der Schwing GmbH. »Durch die neu verwendeten hochfesten Stähle bewegen sich die mechanischen Spannungen und Dehnungen in höheren Bereichen als bei bislang eingesetzten Materialen. Da reichen die Messbereiche herkömmlicher Dehnungssensoren nicht aus.«

Präzise, auch wenn’s rau wird

Mit Hilfe von FEM-Simulationen hat Baumer eine komplett neue Sensormechanik mit einem Messbereich von ±2.000 Mikrometern pro Meter entwickelt. Der montagefreundliche, langzeitdichte Sensor funktioniert im Mehrschichtbetrieb trotz der rauen Bedingungen auf Baustellen tadellos. Er ist werksabgeglichen, was den Einbau und eventuell notwendigen Austausch beschleunigt. Der neue Sensor mit der eingebauten Elektronik liefert ein hochaufgelöstes digitales CANopen-Signal direkt an die Steuerung der Autobetonpumpe.

Im Vergleich zu Kraftsensoren, die genau auf die Maschinengeometrie angepasst werden müssen, lässt sich der Dehnungssensor mit nur zwei Bohrungen einfach auf die ideale Stelle aufschrauben. Dieses Vorgehen nimmt kaum Einfluss auf die Maschinenstruktur, spart Zeit bei der Entwicklung und erleichtert die Montage. Das robuste Design des Sensors macht ihn unempfindlich gegenüber Stößen, Schlägen und anderen mechanischen Einflüssen und deswegen ideal für den Einsatz auf dem Bau. Gleichzeitig ist er sehr weich, reagiert schnell und kann selbst kleinste Dehnungen und Stauchungen präzise erfassen. Mit seinem korrosionsbeständigen Gehäuse trotzt er Wind und Wetter. Mit der geprüften Schutzart IP69K garantiert er absolute Dichtigkeit und ist problemlos mit Hochdruck- und Dampfstrahlgeräten zu reinigen.

»Wir sind sehr zufrieden mit unserer Zusammenarbeit«, sagt Reiner Vierkotten. »Das innovative Dämpfungssystem ist auch für die neueste Autobetonpumpe S 65 SXF von Schwing erhältlich, welche Anfang 2018 auf der Messe World of Concrete in Las Vegas vorgestellt wurde. Nach ausführlichen Prototypentests und Optimierungen während der Entwicklung wurde der neue Dehnungssensor DST55R von Baumer erfolgreich in der Serie eingeführt.« Er kann sich durchaus vorstellen, Sensoren des Schweizer Partners auch in künftigen Projekten an den Autobetonpumpen von Schwing einzusetzen.

Noch mehr Sensorik für die Baustelle

So anspruchsvoll wie riesige Pumpenausleger sind auch Anwendungen bei tiefen Temperaturen, mit starken Vibrationen oder im Wasser. Lineare Messungen zum Beispiel sind in einem solch harten Umfeld nicht so einfach zu bewerkstelligen. Baumer hat dazu aber einige Lösungen an Bord, die präzise und zuverlässig alle funktionsrelevanten Daten zur Verfügung stellen: Zur präzisen Positionsmessung von Abstützfüßen und Teleskopauslegern sind Seilzug-Wegsensoren der Serie GCA aus dem Hause Baumer eine einfache und zuverlässige Möglichkeit für den betriebssicheren und wartungsarmen Einsatz. Aus- und Einzug eines dehnfesten und gleichzeitig flexiblen Edelstahlseils mit Messlängen bis 50 Meter werden dabei in eine Drehbewegung umgewandelt. Hieraus erzeugen absolute oder inkrementale Drehgeber ein präzises, wegproportionales Ausgangssignal, das von einer Steuerung oder Positionsanzeige ausgewertet wird.

Alle Komponenten sind robust und hochwertig, das flexible Stahlseil ermöglicht sogar ein Messen »um die Ecke«, indem es mittels Umlenkrollen in eine andere Richtung geführt wird. Gegen Verschmutzung oder Vereisung des Messseils wirken spezielle Abstreifer und Umlenkrollen. Das langlebige Edelstahlseil ist auf eine federgespannte Trommel gewickelt, aus deren Umfang und Drehwinkel die ausgefahrene Strecke des Messseils genau errechnet wird. Eine ausschließlich einlagige Wicklung begünstigt die hohe Messgenauigkeit, da jede volle Umdrehung immer einer gleichlangen Strecke entspricht. Der fest mit der Trommel verbundene Drehgeber misst deren genauen Drehwinkel sowie in der absoluten Variante auch die Anzahl der Umdrehungen. Die verwendeten Inkremental- oder Absolutgeber sind optimal auf den jeweiligen Seilzug abgestimmt.

Für den Einsatz in beengtem Montageraum sind die kompakten und wirtschaftlichen Seilzug-Wegsensoren der Baureihe GCA5 ausgelegt. Mit dem Gehäuse aus schlagbeständigem Kunststoff, einem korrosionsbeständigen Edelstahlseil mit abriebfestem Nylonmantel und der berührungslosen und verschleißfreien, magnetischen Abtastung eignen sie sich für den betriebssicheren und wartungsarmen Einsatz in rauer Umgebung. Durch den Aufbau im Drei-Kammer-Prinzip sind Elektronik und Edelstahlfeder dicht gegenüber der Seiltrommel und äußeren Einflüssen gekapselt.

Der GCA5 besitzt einen maximalen Messbereich von 4.700 Millimetern und ist dank Schutzart IP 67, Schockbeständigkeit bis 50 g, Vibrationsbeständigkeit bis 10 g und einem großen Temperaturbereich robust und unempfindlich. Gleichzeitig liegt die Einbautiefe bei nur 65 Millimetern. Einsatz finden die Seilzug-Wegsensoren in mobilen Arbeitsmaschinen sowie Nutz- oder Logistikfahrzeugen. mk

Hart im Nehmen

Thomas Hertig, Baumer Produktmanager Kraft und Dehnung, zum Dehnungssensor DST55R.

Der DST55R basiert auf der DMS Technologie. Für welchen Temperaturbereich ist er ausgelegt?

Der neue DST55R für den Außenbereich wurde speziell entwickelt für einen größeren Temperaturbereich von –40 bis 85 Grad Celsius und hebt sich dadurch von allen marktgängigen Modellen ab. Die Einflüsse der reinen Wärmeausdehnungen wurde für das Material Stahl kompensiert, damit die Dehnungen durch Krafteinwirkung genau gemessen werden können.

Muss der Dehnungssensor gewartet werden?

Der DST55R ist wartungsfrei und unempfindlich gegen Feuchtigkeit und Staub. Für den Einsatz in rauen Anwendungen wurden die höchsten Schutzart IP68 und IP69K berücksichtigt und getestet. Bei diesen neuen Sensoren wurde zusätzlich das Baumer Dichtigkeitskonzept proTect+ angewandt um die Langzeitdichtigkeit sicherzustellen. Dabei werden Alterungseffekte durch Temperaturschocktests in Luft und Wasser simuliert, vorgängig zu den Dichtigkeitstests. Weiter wurde die höchste Korrosionschutzkategorie C5-M getestet um den langjährigen Einsatz in Küstennähe zu ermöglichen.

Wie genau messen die Sensoren?

Die Sensoren messen mit einer Genauigkeit von 0,5 Prozent (Linearitätsabweichung) und liefern analoge und digitale Signale. Die für die Mobile Automation wichtige digitale Schnittstelle CANopen liefert eine Messauflösung von 0,1 Mikrometern pro Meter und detektiert somit kleinste Dehnungen.

Benötigen die Sensoren eine Kalibrierung vor Ort?

Bei Baumer werden die Dehnungssensoren auf Dehnung im Werk abgleichen. So entfällt für den Kunden mehrheitlich die Kalibrierung mit einem Kraftsensor.

In welchen Messbereichen ist der Sensor erhältlich?

Messbereiche von 100, 250, 500 und 1.000 Mikrometern pro Meter decken die meisten zulässigen Dehnungen bei Maschinenteilen ab. Die neuartige Messgeometrie des Sensors ermöglicht es sogar, für neue, hochfeste Stähle kundenspezifisch 2.000 Mikrometer pro Meter zu erreichen.

Eignet sich der DST55R für weitere Anwendungen?

Der Dehnungssensor kann in allen Anwendungen in rauer Außenumgebung eingesetzt werden – z.B. Turm- und Rotorblattüberwachung in Windkraftanlagen. Einige Kunden setzen ihn auch Indoor für die Überwachung von Maschinen und Prozessen ein – auf Grund erhöhten Dichtigkeitsbedarfes für die Reinigung oder des erweiterten Temperaturbereichs. hjs

Erschienen in Ausgabe: 02/2019