Kran- und HebetecHniK | Kranbahnvermessung

26 Hebezeuge Fördermittel 6/2017

Für eine präzise Beschreibung der geometrischen Lage von verlegten Führungs -, Fahr- und Leitschienen, beispiels weise bei Krananlagen, sind in Richtlinien Messgrößen und Toleranzen definiert. Für eine objektive Beurteilung von Schienenanlagen werden ergänzende Zustandsparameter benötigt. Hierzu dient das neu entwickelte Advanced Railtrack Inspection System (ARTIS).

Führungs-, Fahr- und Leitschienen, z. B. bei Krananlagen, spielen im Logistikprozess eine entscheidende Rolle. Eine Vermessung wird im Rahmen von UVV-Prüfungen, bei einem Neu-bau, einem Austausch der Schienen, einem neuen Kran oder dann, wenn sie zur Klärung eines Sachverhalts benötigt wird, durchgeführt. Richtlinien wie die VDI 3576 [1] für Kranbahnen dienen auch zur Vermeidung von Unstimmigkei-ten zwischen Betreiber, Kranlieferant und Kran-bahnbauer. Es ist für alle beteiligten Parteien von Vorteil, wenn sie sich auf die Anwendung einer Richtlinie und einer der darin enthaltenen Toleranzklassen einigen.

Eine schnelle und automatisierte Zustands-erfassung von Schienen dient als Entscheidungs-grundlage zur Sicherstellung der Betriebs-sicherheit und zur Standzeitverlängerung. Hier-bei haben sowohl der Verlauf der Schienenachse als auch die Geometrie der eigentlichen Schiene und der Zustand der Schienenbefestigungen Einfluss auf das Ergebnis. Bisher angewendete

Systeme werden den Forderungen jedoch nicht ausreichend gerecht, so dass nach einer passen-den Lösung für die Erfassung, Auswertung und Dokumentation gesucht wurde.

Nachfolgend vorgestellt wird ein neu ent-wickeltes Multi-Sensor-System (MSS) und Messverfahren zur kinematischen Positionie-rung und Echtzeitauswertung eines selbstfah-renden Schienenmessfahrzeugs. Das paten-tierte modulare Advanced Railtrack Inspection System (ARTIS, Bild 1), dient der durchgehen-den, automatisierten Vermessung der 3D-Lage von primär Kranschienen, dem (Kranschienen-)Profilquerschnitt, Schienenstößen und erst-mals auch den (Kranschienen-)Befestigungen. ARTIS ermöglicht eine Vermessung außerhalb der Schienenflucht, so dass der Prozess vor allem bei Hallenkranbahnen deutlich sicherer und schneller ausführbar ist. Dank des flexib-len Aufbaus lässt sich das System auf sämt-lichen Führungs-, Fahr- und Leitschienen im industriellen Umfeld einsetzen. ARTIS wurde

in Kooperation zwischen dem Hamburger Ver-messungsbüro Dr. Hesse und Partner Ingeni-eure und dem Geodätischen Institut der Leibniz-Universität Hannover entwickelt.1)

aktueller Stand der Messtechnik

Für eine objektive (d. h. im Rahmen der Mess-genauigkeit reproduzierbare) Bestimmung der Messgrößen ist eine Erfassung der Schie-nen erforderlich. Bisher führten nicht repro-duzierbare Bezugspunkte an der Schiene bzw. die nicht korrekte Rekonstruktion der Schienen-achse (durch Messen an nicht abgenutzten Flä-chen der Schienenkopfseiten) zu einem subjek-tiven Ergebnis. Das Bild 2 zeigt die Definition der Schienenachse: Die praktische Schienen-achse ist die reale Achse der abgenutzten Schiene – (alSK + arSK)/2. Die theoretische Schienen achse ist die Achse der neuen Schiene – (lSK + rSK)/2.

Mit hoher Genauigkeit3d-Vermessung von Kranschienen-Profilen und -befestigungen

1) Die Ergebnisse dieses Beitrags basieren auf einem Kooperationsprojekt zwischen dem Vermessungsbüro Dr. Hesse und Partner Ingeni-eure (dhp:i) und dem Geodätischen Institut der Leibniz-Universität Hannover (GIH), das von der AiF als Projektträger des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wurde.

1 Schematischer Aufbau von ARTIS (Advanced Railtrack Inspection System) [2].

theoretische Schienenachse praktische Schienenachse

lSK rSK = arSK

alSK

2 Definition der theoretischen und praktischen Schienenachse [2]

3 Standardkonfiguration bei der Vermessung von Führungs-, Fahr- und Leitschienen [4]

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Im industriellen Umfeld sind keine Systeme bekannt, die annähernd die relevanten Mess-größen liefern könnten. Einzig im Bereich der Kranbahnvermessung existieren einzelne Syste me. Bei Gegenüberstellungen in [3] und [4] ist eine Standardkonfiguration festzustellen (Bild 3), bei der meist ein Vermessungsinstru-ment die Position eines Schienenmess wagens bestimmt. Ist ein Inklinometer integriert, das zu jedem Messzeitpunkt die Neigung quer zur Schienenachse misst, kann der Offset, der durch die Neigung des Reflektors auftritt, korri-giert werden [3]. In Abhängigkeit von Fahrzeug-geschwindigkeit und Aufnahmefrequenz des Tachymeters beträgt der Messpunkt abstand wenige Zentimeter. Der Verlauf der Schiene kann somit detail-liert beschrieben werden. Bei einer kinematischen Messung ist es erforderlich, dass das Tachy-meter das auf dem Wagen mon-tierte Prisma in Schienenlängs-richtung beobachtet. Bei einer exzentrischen Bestimmung vom Boden aus muss gewährleistet sein, dass das Prisma immer zum Tachymeter hin ausge-richtet ist. Der Einsatz eines 360°-Prismas in einigen Syste-men ist kritisch zu hinterfragen, da dessen Zentriergenauigkeit in Abhängigkeit vom Reflektor allein 2 mm und mehr beträgt.

Auf eine Kranbahn wirken sta-tische und dynamische Kräfte. Der Kräfteverlauf bei einer Kranfahrt geht hierbei vom Rad in die Schiene, in die Schienenbe-festigung usw. bis in den Unter-grund. Alle Komponenten sind kon tinuierlich Beanspruchungen ausgesetzt. Über die Zeit kann es zum Lösen von Schienenbefesti-gungen oder plastischen Verfor-mungen kommen. Zusätzlich zu den dynamischen Verformungen, die bei einer Kranfahrt auftre-ten, wird das Verhalten erst bei einer Messung unter Belastung erkennbar. In [5] wird beschrie-ben, den Messwagen an den Kran zu hängen und während der Fahrt kinematisch zu tra-cken. Die Gegenüberstellung der Mess-ergebnisse offenbart die Differenzen einer Kranbahn im statischen und dynamischen Zustand. So gibt es zwar auto-matisierte Systeme, die jedoch nicht die relevanten Zielgrößen für eine objektive Bestimmung der Schienenachse liefern. Auch Informationen über die Schie-nengeometrie und die Schienen-befestigung, wie sie für die Beur-teilung der Stand- und Betriebs-sicherheit zwingend notwendig sind, werden nicht erfasst.

advanced railtrack inspection System (artiS)

ausstattung und aufbau des Messwagens

Zum System ARTIS gehören ein selbstfah-render Schienenmesswagen (Bild 1) und ein externes Vermessungsinstrument. Je nach Genauigkeitsanforderung wird entweder ein Tachy meter – dann in der Flucht der Schiene stehend – oder ein Lasertracker, der auch exzentrisch platziert sein kann, für die Posi-tionierung eingesetzt.

Auf dem modular ausgeleg ten MSS be finden sich folgende Sensoren (Bild 4): zwei Profil-

laserscanner (PLS), zwei Kameras, eine inertia le Messeinheit (IMU), ein zweiachsiges Ink li nometer und zwei Odometer.ARTIS kann je nach Aufgabenstellung modular eingesetzt werden:1. Bei der Erfassung der Messgrößen z. B.

gemäß VDI 3576: Tracking der Fahrzeug-plattform durch Tachymeter oder Laser-tracker; keine PLS und Kameras.

2. Bei der Erfassung aller Mess- und Ziel-größen: Die Fahrzeugplattform ist mit PLS und Kameras ausgestattet. Für die Georeferenzierung aller Messpunkte wird der Wagen durch ein Tachymeter oder einen Lasertracker getrackt.

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3. Zur Dokumentation des Zustands der Schiene, der Schienenbefestigung und der Schienenneigung: Die Fahrzeug plattform fährt mit den montierten PLS und Kameras über das Profil; kein Tracken durch Tachymeter oder Lasertracker.

Durch ein ferngesteuertes motorisiertes Füh-rungssystem kann das Fahrzeug an Schienen-profilbreiten zwischen 20 mm und 300 mm angepasst werden. Eine entscheidende Funktio-nalität des Systems ist die variable Ausrichtung der PLS und Kameras (dreh- und verschieb-bar quer zur Schiene) auf die zu vermessende Schiene und Schienenbefestigung. Die Kalib-rierung lässt sich schnell und weitestgehend automatisiert erledigen (s. [2,6]).

Mess- und neue Zielgrößen

Die in Richtlinien (z. B. VDI 3576) definierten Messgrößen umfassen: ❙ Schienenlage und -höhe ❙ Stichmaße zur lokalen Beurteilung der Schienenlage und -höhe

❙ Spurweite (Spurmittenmaß) ❙ Längs- und Querneigung der Einzel schienen ❙ Höhenunterschied der beiden Schienen zueinander

❙ Schränkung der beiden Schienen zueinander.

Um die hohen Anforderungen zu erfüllen, müssen die Kenngrößen im Sub-mm-Bereich (einfache Standardabweichung) erfasst werden können. Eine Genauigkeitsabschätzung zeigt Bild 5. Maße der inneren Geometrie, wie z. B. die Stichmaße, können genauer erfasst wer-den, da hier die Präzision des Messverfahrens entscheidend ist.

ARTIS ist darauf ausgelegt, folgende Ziel-größen zu erfassen: ❙ Abnutzung der Schiene (theoretische und praktische Schienenachse)

❙ Verschleiß des Schienenprofils (Aus-walzungen, Abnutzungen, Ausbrüche usw.)

Schienenachse

Position desLasertrackers

0 5 10 15 25m

150

130

110

90

70

50

30

10

m

X-Ac

hse

Y-Achse

0,4mm0,20,1

00 50 100 150mzurückgelegter Weg

u

0,4mm0,20,1

00 50 100 150mzurückgelegter Weg

u

u

0,4mm0,20,1

00 50 100 150mzurückgelegter Weg

u

zurückgelegter Weg

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

mm

10 30 50 70 90 110 130 150m

Koordinatensystem Helmertscher PunktfehlerX-Achse

Y-Achse

Z-Achse

Inklinometer

Batterie

IMU 2 PLS

CCRLasertracker

NotebookWiFi, ZigBee

CPU

2 Odometer2 Kameras

Motoren ARTIS-Messwagen ARTIS

4 Systemkomponenten von ARTIS [2]

6 Exzentrisches Tracken des ARTIS-Messwagens [2]

5 Messunsicherheit beim Erfassen der Schienenachse [2]

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❙ Schienenstöße (90°-Stoß, Schrägstoß, Stufen stoß, geschweißt, ungeschweißt)

❙ Schienenbefestigungen (Position korrekt, verdreht/verschoben oder nicht mehr vorhan den).

Der Vollständigkeit halber wird erwähnt, dass die Positionen der Stützen in der Auswertung mit aufgeführt werden sollten, da sie das Bild über den Zustand der Kranbahn abrunden.

Qualität der Messung

Die Qualität der bestimmten Messgrößen soll anhand von Lage und Höhe der Schienenachse dargestellt werden. Gewählt wurde ein für die Praxis relevanter Aufbau, bei dem der Laser-tracker exzentrisch auf dem Hallenboden steht (Bild 6). Dies hat mehrere Vorteile: Der Laser-tracker steht vibrations- und erschütterungsfrei, der Bediener ist während der Messung nicht der Absturzgefahr ausgesetzt, und auf eine Arbeits-bühne kann im Normalfall verzichtet werden.

Im konkreten Beispiel werden die Mess-unsicherheiten für einen 150 m langen Schie-nenstrang berechnet und dargestellt. Der Lasertracker steht 1,5 m über dem Boden und 20 m von der 10 m hohen Schienenachse ent-fernt. Angegeben werden die einfache Mess-unsicherheit u der einzelnen Koordinatenkom-ponenten für die X-, Y- und Z-Achse (Bild 5, Mitte) sowie der resultierende 3D-Punktfehler nach Helmert (Bild 5, rechts). Die Berechnun-gen wurden gemäß dem GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements, ISO/IEC Guide 98) [7] durchgeführt. Hierbei flossen alle signifikanten Einflussfaktoren – von der Stationierung des Lasertrackers im Fest-punktfeld über die Positionierung des Schienen-messwagens bis hin zu Antastabweichungen der Schiene – in das Unsicherheitsbudget mit ein. Es zeigt sich, dass über eine Mess entfernung von rd. 100 m somit eine erweiterte Messun-sicherheit U (mit k = 2) von rd. 1 mm für den 3D-Punktfehler nach Helmert eingehalten werden kann (UP = kuP). ARTIS erfüllt somit die anspruchsvolle Toleranzklasse 1 der VDI 3576.

Für das Erreichen der dargestellten Genauigkeit ist der richtige Reflektor wichtig. Lackner u. a. [8] haben einige Reflektoren untersucht und Unter-schiede bei der Zentriergenauigkeit dokumentiert. Aus diesen Gründen wurde der ARTIS-Mess-wagen mit einem dreh- und kippbaren Corner- Cube-Reflektor ausgerüstet (Bild 7, ganz rechts).

Verarbeitung und aufbereitung der Messdaten

Die Schienenachse und die Geometrie der Schiene sind als kontinuierliche Objekte zu modellieren. Dies geschieht mit Freiformkurven und –flächen (mehr dazu in [2, 4, 9]). Vorteilhaft wirkt sich hierbei die flexible Anpassungs fähigkeit an die lokalen Gegebenheiten aus. Bild 8 zeigt exemplarisch einen Detailausschnitt.

Kurzes resümee

Die Technik zur Kranbahnvermessung hat sich in den zurückliegenden 70 Jahren kontinuier-lich weiterentwickelt. Den letzten großen Schritt stellen selbstfahrende Schienenmesswagen dar. Das System ARTIS erweitert die Möglichkeiten durch zusätzliche Sensorik. Ein um fassendes, objektives Bild der Schienenanlage wird auto-matisiert und mit ausreichender Genauigkeit ermittelt. Zusätzlich kann der Zustand des Schie-nenprofils, der Schienenbefestigungen und der Schienenstöße dokumentiert werden. (nh)

Literatur

[1] VDI 3576: Schienen für Krananlagen – Schienenverbindungen, Schienenlager-ungen, Schienenbefestigungen, Toleranzen für Kranbahnen. Stand: 2011, Beuth-Verlag.

[2] Dennig, D.; Bureick, J.; Link, J.; Diener, D.; Hesse, C.; Neumann, I.: Comprehensive and highly accurate measurements of crane runways, profiles and fastenings (Manuskript eingereicht bei „Sensors“, 2017).

[3] Neumann, I.; Dennig, D.: Development of the kinematic Crane-Track-Surveying-System „RailControl“ – Reducing Operatio-nal Interruption of Crane Tracks. Allgemeine Vermessungsnachrichten (AVN), Berlin (2011) 5, S. 162–169.

[4] Neumann, I.; Dennig, D.; Diener, D.; Hesse, C.; Link, J.; Bureick, J.: Kinema-tisches Monitoring von Führungs-, Fahr- und Leitschienen im industriellen Umfeld. 18. Int. Ingenieurvermessungskurs Graz 2017.

[5] Dennig, D.; Neumann, I.: Kranbahn-vermessungssystem „Railcontrol“. Präziser Soll-Ist-Vergleich. Hebezeuge Fördermittel, Berlin 48 (2008) 3, S. 120–121.

[6] Strübing, T.; Neumann, I.: Positions- und Orientierungsschätzung von LIDAR- Sensoren auf Multisensorplattformen. zfv, Augsburg (2013) 3, S. 210–221.

[7] ISO/IEC Guide 98: Uncertainty of measure-ment — Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM, 1995).

[8] Lackner, S.; Lienhart, W.: Impact of Prism Type and Prism Orientation on the Accuracy of Automated Total Station Measurements. In: 3rd Joint International Symposium on Deformation Monitoring Vienna, 2016.

[9] Golnik, D.: Bayessche Schätzung von B-Spline-Kurven. Leibniz-Universität Hannover, Geodätisches Institut, Master-arbeit 2016 (unveröffentlicht).

Prof. Dr.-Ing. Ingo Neumann, Leiter des Geodätischen Instituts

der Leibniz-Universität Hannover.

Dr.-Ing. Christian Hesse, Geschäftsführer des Vermessungsbüros

Dr. Hesse und Partner Ingenieure in Hamburg.

M.Sc. Johannes Bureick, Mitarbeiter des Geodätischen Instituts

der Leibniz-Universität Hannover.

Dipl.-Ing., SFI Dirk Dennig, Mitarbeiter des Geodätischen Instituts

der Leibniz-Universität Hannover.

8 Modellierter Schienenfehler im Bereich des Schienenkopfes [9]

7 Verschiedene Reflektoren mit Zentriergenauigkeiten von 4 bis 0,003 mm [8]

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