EP1464611A2 - Verfahren zur Laufberuhigung einer Gliederkette eines Kettenzuges, insbesondere zur Verhinderung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette, und einen Kettenzug hierfür - Google Patents

Verfahren zur Laufberuhigung einer Gliederkette eines Kettenzuges, insbesondere zur Verhinderung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette, und einen Kettenzug hierfür Download PDF

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EP1464611A2
EP1464611A2 EP04006657A EP04006657A EP1464611A2 EP 1464611 A2 EP1464611 A2 EP 1464611A2 EP 04006657 A EP04006657 A EP 04006657A EP 04006657 A EP04006657 A EP 04006657A EP 1464611 A2 EP1464611 A2 EP 1464611A2
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EP
European Patent Office
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chain
speed
electric motor
link
hoist
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EP04006657A
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EP1464611B1 (de
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Eberhard Schröder
Giuliano Persico
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Demag Cranes and Components GmbH
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    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66D—CAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
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    • B66D1/28—Other constructional details
    • B66D1/40—Control devices
    • B66D1/48—Control devices automatic
    • B66D1/485—Control devices automatic electrical
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    • B66D—CAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
    • B66D3/00—Portable or mobile lifting or hauling appliances
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66D—CAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
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    • B66D3/18—Power-operated hoists
    • B66D3/26—Other details, e.g. housings

Definitions

  • the invention relates to a method for calming the running of a link chain Chain hoist, especially to prevent the formation of a Resonant vibration of the link chain, in which a link chain over a polygonal sprocket with non-uniform pitch is guided by a Electric motor is driven.
  • the invention also relates to a chain hoist with a over a polygonal sprocket chain and with one on the sprocket acting electric motor.
  • the chain hoist consists essentially of a sprocket driven by the electric motor, over which the chain, in particular a round steel chain, is guided with a load suspension device.
  • the Sprocket is designed as a so-called pocket wheel, the pockets of which Take up chain links of the chain to transfer the lifting forces in a form-fitting manner. A lying and a standing chain link change in the course of the sprocket. According to the curvature behavior of the chain Sprocket an uneven polygonal circumference.
  • This polygonal perimeter of the chain wheel means that when the chain runs off the chain wheel the effective radius of the sprocket changes depending on the angle and thus the The speed of the chain fluctuates periodically accordingly.
  • the periodic Fluctuations therefore occur even at constant speed of the electric motor. This is associated with a restless running of the chain, a constant swell load of the chain hoist and any disturbing resonance effects that may occur.
  • This mechanical compensation system can only be limited to one Equalize the running speed of a chain of a chain hoist, since in the case of the polygon effect it is only the mathematical terms with a low order considered. They also require mechanical ones Compensation systems an increased design effort.
  • the passenger conveyor systems have an endless rotating Link chain or so-called Gall chain on between two deflection wheels revolves and is at least rolled away in the area of its upper run.
  • the Link chain or Gall chain and also the deflection wheels are characterized an even division.
  • One of the two deflection wheels is operated by one Electric drive powered.
  • the polygon effect occurring is the speed of the deflection wheel a different speed is superimposed.
  • the electric drive is over controlled a frequency converter in such a way that it does not revolves at constant speed.
  • One assigned to the frequency converter Control device processes the phase position of the deflection wheel as input signals and / or the speed of the chain.
  • the object of the invention is based on a method for calming the running Link chain of a chain hoist, especially to prevent training a resonance vibration of the link chain, and a chain hoist optimize.
  • a method for smoothing the running of a link chain a chain hoist especially to prevent the formation of a Resonant vibration of the link chain, in which a link chain over a polygonal sprocket with non-uniform pitch is guided by a Electric motor is driven, avoidance of resonance vibrations, thereby achieved that the speed of the sprocket is periodic and / or stochastic and damping control variable is superimposed and the damping control variable causes a change in chain speed in kind that formation of a resonance vibration is prevented.
  • This method prevents the excitation of the natural resonances in the area of the stroke changing effective chain length and for different loads.
  • the electric motor is used to simulate a damped kinetic model controlled an electronic damper.
  • the electronic damper as first input variable a target speed of the chain wheel and as a second An actual angle of the chain wheel can be fed into the input variable and in the electronic damper from the two input variables a damping Control variable is calculated in the form of a damped speed to the Electric motor is passed.
  • a damping force is preferably used as the damping control variable in the electronic damper calculated that is proportional to the Speed fluctuation amplitude of the load is and from the sensory recorded actual angle is calculated.
  • the method advantageously monitors itself in which the effect a resonance vibration that builds up is detected by sensors and at If the damping control variable is changed.
  • the control of the electric motor can be simplified if a constant Load from the chain hoist is to be handled. Then in one Speed pre-control, depending on the path, the chain speed with one programmable speed pattern to avoid the formation of a Resonant vibration of the link chain superimposed.
  • a chain hoist with a polygonal sprocket guided chain and with an electric motor acting on the sprocket one Reduction of the effects of the polygon effect achieved by the Electric motor is preceded by an electronic damper that controls the Electric motor in the way causes a formation of a resonance vibration the link chain is prevented.
  • the electronic damper advantageously ensures smooth running the chain, a lower swell load of the chain hoist and hardly occurring disturbing resonance effects achieved.
  • the electronic damper can be special can advantageously be adapted to a change in the damping parameters.
  • the electronic damper is the first Input variable a target speed of the chain wheel and as a second input variable an actual angle of the chain wheel is assigned.
  • a target speed of the chain wheel and as a second input variable an actual angle of the chain wheel is assigned.
  • the sprocket Sensor in the form of a pulse generator for pulse-by-pulse determination of the actual angle arranged, of which at least one angle-synchronous per sprocket revolution Pulse is generated. The instantaneous angular position is then determined by interpolation determined between two successive pulses.
  • the electronic damper is preferably designed as a pilot control, which Is part of an open control loop. This solution is towards you too possible closed control loop with a state controller less expensive.
  • an empirical optimization of the damping control variable achieved in that at least sensor the effect of a resonance vibration building up and, if necessary, the damping control variable is changed.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of the invention
  • the Sprocket 4 is conventional as a pocket wheel with a polygonal Extent and with a non-uniform pitch for the inclusion of the relative Chain links of link chain 5 which can be pivoted relative to one another.
  • the link chain 5 is designed as a round steel chain and serves in usual way as a supporting element for the lifting or lowering Load 6 hanging on the lower end of the chain 5.
  • the free-hanging chain 5 is not mechanically guided and is in With respect to lateral deflections almost undamped.
  • the effective length of the Chain 5 varies depending on the vertical position of the load 6. Also can be in operation change the load 6 to be handled by the chain hoist 1.
  • the natural frequency of the Chain hoist 1 is a function of the spring constants of the chain 5, in which also the variable effective length of the chain 5 is received, and the mass of the load 6 and chain 5. Due to the variable masses of the loads 6 and the changing effective lengths the chain 5 creates a band of natural frequencies for the chain hoist 1. With the Changing the mass and the effective length of the chain 5 also change the Natural frequencies of the chain hoist and the position of the resonance points along the Chain 5.
  • the chain hoist 1 thus provides an oscillatory structure pronounced resonance points.
  • the associated mechanical model corresponds to an undamped transducer.
  • the excitation frequencies that can be used to excite chain hoist 1 result from the geometry and the speed of the sprocket 4. Since as before described the sprocket 4 has a non-uniform pitch generated at least two excitation frequencies by the in relation to the Axis of rotation of the sprocket 4 arranged differently geometrically Points of engagement for the standing and lying links of the chain 5 are conditional. These two excitation frequencies additively overlap.
  • y pole ⁇ wheel [it 1 cos (e ⁇ wheel ) + 2es 2 COS (2e ⁇ wheel )]
  • the non-uniform division of the sprocket 4 also calls it a polygon effect known fluctuation in the running speed of the chain 5 from the sprocket 4 out, which also leads to uneven running of the chain hoist 1, but in comparison to the resonance effects described above are lower
  • a suitable control variable for the electronic damper 8 can be started from the following kinetic foundations.
  • the term cy ⁇ m common in damped systems is missing.
  • this term is realized by the electronic damping force F D.
  • the required damping force F D is determined in the electronic damper 8 by means of a continuous sensory detection of the current angular position jeweils rad from the path fluctuation amplitude y pol .
  • a comparison of the equation of the speed amplitude y ⁇ pol in the area of the sprocket 4 with the equation for the speed amplitude y ⁇ m in the area of the mass m shows that the damping control variable is increased by V 1 , V 2 and by ⁇ 1 , ⁇ 2 phase-shifted correction signal is.
  • the quantities V 1 , V 2 and ⁇ 1 , ⁇ 2 are determined by solving the differential equation.
  • the sizes V 1 , V 2 as well as ⁇ 1 , ⁇ 2 can be changed easily and an adjustment to take into account dead times caused by inertia or play in the chain drive is easily possible.
  • a simple optimization of the electronic damper 8 to the actual state of the chain drive 1 can thus be carried out.
  • a suboptimal setting of the damping control variable leads to the fact that the Resonance vibration is not sufficiently damped, in the worst case even is kindled.
  • the damping control variable determined in this way is fed to the electric damper and causes a swelling speed change of the chain wheel 4 which counteracts the polygon effect.
  • the electronic damper 8 is supplied with the target speed n target as the first input variable.
  • the actual angle ⁇ wheel of the sprocket 4 serves as a further input variable, which is tapped in the present exemplary embodiment on the sprocket 4 or optionally on the electric motor 2 or the transmission 3 via a sensor in the form of a pulse generator 9.
  • the pulse generator 9 can be optical, magnetic or inductive, of which at least one angularly synchronous pulse is generated per revolution of the chain wheel 4.
  • the current angular position ⁇ rad is then determined by interpolation between two successive pulses.
  • the electronic damper 8 is formed in the present embodiment, as input member in which the second input variable of the actual angle ⁇ rad via a mathematical function y ⁇ m ( ⁇ rad) of higher order in a correction value for the first input variable, the target speed is to n converted and is superimposed in the summation point with the set speed n set. As the output of the electronic damper 8 thus provides again a target size n * intended as an input to the power amplifier. 7
  • an optimization of the damping control variable is achieved by feedback of the motor current, the chain speed or the chain force in the electronic damper 8. These measurable quantities experience a corresponding, superimposed oscillation through an onset resonance oscillation, which allow a conclusion to be drawn about a resonance oscillation or residual resonance oscillation that is still present. Based on this, the damping control variable y ⁇ m in the electronic damper 8 can then be optimized.
  • the Chain speed can be modulated so that the excitation with the critical Frequency is prevented by changing the speed. So it will specifically counteracting an adjustment of excitation of the chain hoist 1 by the excitation frequency is constantly changing. It is also possible in the case of a constant load 6 by means of a speed pre-control Chain speed with a programmable speed pattern so too overlay that this prevents resonance vibrations.
  • the resonance points can also by the feedback described above of the motor current, the chain speed or the chain force in the electronic damper 8 can be determined or are speed-dependent at a known load 6 from the system sizes of the chain drive 1, so that a position detection on the chain drive is sufficient to approximate one Determine resonance point.
  • FIG. 2 is a force-time diagram of the polygon excited chain vibration a chain hoist according to the prior art.
  • in 3 shows a force-time diagram of the polygon excited chain vibration of a Chain hoist according to the invention shown. It can be seen that on the x-axis represented time from 0 to about 11 s, in the tentative lifting process a load is performed, the fluctuation range on the y-axis applied chain force amplitude of up to about ⁇ 700N by the electronic damper 8 according to the invention can be reduced to approximately ⁇ 70N can. This makes the chain run smoothly and less Swell load of the chain hoist reached.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufberuhigung einer Gliederkette eines Kettenzuges, insbesondere zur Verhinderung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette, in dem eine Gliederkette über ein polygonales Kettenrad mit ungleichförmiger Teilung geführt wird, das von einem Elektromotor angetrieben wird. Um ein Verfahren zur Verhinderung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der Geschwindigkeit des Kettenrades (4) eine periodische und/oder stochastische sowie dämpfende Steuergröße überlagert wird und die dämpfende Steuergröße eine Änderung der Kettengeschwindigkeit in Art bewirkt, dass eine Ausbildung einer Resonanzschwingung verhindert wird. Der Kettentrieb mit verminderten Polygoneffekt zeichnet sich dadurch aus, dass dem Elektromotor (2) ein elektronischer Dämpfer (8) vorgeschaltet ist, der eine Steuerung des Elektromotors (2) in der Art bewirkt, dass eine Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette (5) verhindert wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufberuhigung einer Gliederkette eines Kettenzuges, insbesondere zur Verhinderung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette, in dem eine Gliederkette über ein polygonales Kettenrad mit ungleichförmiger Teilung geführt wird, das von einem Elektromotor angetrieben wird. Auch betrifft die Erfindung einen Kettenzug mit einer über ein polygonales Kettenrad geführten Kette und mit einem auf das Kettenrad wirkenden Elektromotor.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 1 531 307 A1 ist ein Kettenzug mit einem elektromotorischen Antrieb bekannt. Der Kettenzug besteht im Wesentlichen aus einem von dem Elektromotor angetriebenen Kettenrad, über das die Kette, insbesondere eine Rundstahlkette, mit einem Lastaufnahmemittel geführt ist. Das Kettenrad ist hierbei als sogenanntes Taschenrad ausgebildet, dessen Taschen die Kettenglieder der Kette zur Übertragung der Hubkräfte formschlüssig aufnehmen. Dabei wechseln ein liegendes und ein stehendes Kettenglied sich im Ablauf von dem Kettenrad ab. Entsprechend dem Krümmungsverhalten der Kette hat das Kettenrad einen ungleichmäßigen polygonalen Umfang. Dieser polygonale Umfang des Kettenrades bedingt, dass beim Ablauf der Kette von dem Kettenrad der wirksame Radius des Kettenrades sich winkelabhängig ändert und somit die Geschwindigkeit der Kette entsprechend periodisch schwankt. Die periodischen Schwankungen treten somit auch bei konstanter Drehzahl des Elektromotors auf. Damit verbunden sind ein unruhiger Lauf der Kette, eine ständige Schwellbelastung des Kettenzugs und etwaig auftretende störende Resonanzeffekte.
Um die Schwankungen der Ablaufgeschwindigkeit der Kette vom Kettenrad zu verringern, ist bekannt, das an dem Elektromotor angeordnete Abtriebszahnrad und das hiermit kämmende Antriebszahnrad des Kettenrades jeweils in einer von der Kreisform abweichenden Form also unrund auszuführen, um somit dem zuvor beschriebenen Polygoneffekt entgegenwirkend die Drehzahl des Kettenrades schwellen zu lassen.
Dieses mechanisch wirkende Ausgleichssystem kann nur begrenzt zu einer Vergleichmäßigung der Ablaufgeschwindigkeit einer Kette eines Kettenzugs führen, da es beim Polygoneffekt nur die mathematischen Glieder mit niedriger Ordnung berücksichtigt. Außerdem erfordern diese mechanisch wirkenden Ausgleichssysteme einen erhöhten konstruktiven Aufwand.
Des Weiteren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 58 709 A1 ein Verfahren und eine Einrichtung zum Reduzieren des Polygoneffektes im Umlenkbereich von Personenförderanlagen, insbesondere von Rolltreppen oder Rollsteigen, bekannt. Die Personenförderanlagen weisen eine endlos umlaufende Laschenkette bzw. sogenannte Gallsche Kette auf, die zwischen zwei Umlenkrädern umläuft und zumindest im Bereich ihres Obertrums rollend abgetragen wird. Die Laschenkette bzw. Gallsche Kette und auch die Umlenkräder zeichnen sich durch eine gleichmäßige Teilung aus. Eines der beiden Umlenkräder wird von einem Elektroantrieb angetrieben. Zum Reduzieren des beim Umlauf der Laschenkette um die Umlenkräder auftretenden Polygoneffektes wird der Drehzahl des Umlenkrades eine andersartige Drehzahl überlagert. Im Ergebnis wird der elektrische Antrieb über einen Frequenzumrichter in der Art angesteuert, dass dieser mit einer nicht konstanten Drehzahl umläuft. Eine dem Frequenzumrichter zugeordnete Regeleinrichtung verarbeitet als Eingangssignale die Phasenlage des Umlenkrades und/oder die Geschwindigkeit der Kette.
Eine Weiterentwicklung der vorbeschriebenen Einrichtung zum Reduzieren des Polygoneffektes im Umlenkbereich von Personenförderanlagen, insbesondere von Rolltreppen oder Rollsteigen, ist aus der deutschen Patentschrift DE 101 20 767 C2 bekannt. Dort wird eine positionsabhängige Steuerung der Geschwindigkeit der Kette dahingehend herbeigeführt, dass die Geschwindigkeitsschwankungen ermittelt werden, die am Kettenstrang beim Antrieb mit im Wesentlichen konstanter Drehfrequenz entstehen. Ein Ausgleich der ermittelten Geschwindigkeitsschwankungen soll dann dadurch erreicht werden, dass das Umlenkrad mit ungleichförmiger Drehfrequenz betrieben wird und hierzu eine mathematische Funktion ermittelt wird, die im Betriebszustand lediglich mit der Winkellage des Umlenkrades synchronisiert wird.
Die vorbeschriebenen Verfahren und Einrichtungen zum Reduzieren des Polygoneffektes im Umlenkbereich von Personenförderanlagen beziehen sich auf eine endlose umlaufende Laschenkette. Diese Laschenkette weist in üblicher Weise eine feste Länge auf, hat eine gleichen Teilung und ist zumindest im Bereich des Obertrums abgestützt. Der auftretende Polygoneffekt ist somit abhängig von der gleichförmigen Teilung des Kettenrades. Dadurch dass die Laschenkette zumindest im Bereich der Laschenkette aufliegt, erfährt diese eine starke Dämpfung. Außerdem ist der auftretende und zu reduzierende Polygoneffekt durch die feste Länge der Laschenkette leichter zu beherrschen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe der Erfindung zu Grunde, ein Verfahren zur Laufberuhigung einer Gliederkette eines Kettenzuges, insbesondere zur Verhinderung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette, und einem Kettenzug hiermit zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Vermindern des Polygoneffekts bei einem Kettentrieb, insbesondere bei einem Hebezeug, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Kettentrieb, insbesondere für ein Hebezeug, durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche 2 bis 6 beziehungsweise 8 bis 11 ist die Erfindung in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet.
Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Laufberuhigung einer Gliederkette eines Kettenzuges, insbesondere zur Verhinderung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette, in dem eine Gliederkette über ein polygonales Kettenrad mit ungleichförmiger Teilung geführt wird, das von einem Elektromotor angetrieben wird, eine Vermeidung von Resonanzschwingungen, dadurch erreicht, dass der Geschwindigkeit des Kettenrades eine periodische und/oder stochastische sowie dämpfende Steuergröße überlagert wird und die dämpfende Steuergröße eine Änderung der Kettengeschwindigkeit in Art bewirkt, dass eine Ausbildung einer Resonanzschwingung verhindert wird. Dieses Verfahren verhindert die Anregung der Eigenresonanzen im Bereich des Hubweges mit sich ändernder wirksamer Kettenlänge und für unterschiedliche Lasten.
Zur Nachbildung eines gedämpften kinetischen Models wird der Elektromotor über einen elektronischen Dämpfer angesteuert.
In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dem elektronischen Dämpfer als erste Eingangsgröße eine Soll-Drehzahl des Kettenrades und als zweite Eingangsgröße ein Ist-Winkel des Kettenrades zugeführt werden und in dem elektronischen Dämpfer aus den beiden Eingangsgrößen eine dämpfende Steuergröße errechnet wird, die in Form einer gedämpften Drehzahl an den Elektromotor übergeben wird.
Vorzugsweise wird als dämpfende Steuergröße eine Dämpfungskraft in dem elektronischen Dämpfer berechnet, die proportional der Geschwindigkeitsschwankungsamplitude der Last ist und aus dem sensorisch erfassten Ist-Winkel berechnet wird.
Das Verfahren überwacht sich in vorteilhafter Weise selbst, in dem die Wirkung einer sich aufbauenden Resonanzschwingung durch Sensorik erfasst wird und bei Bedarf die dämpfende Steuergröße verändert wird.
Die Ansteuerung des Elektromotors kann vereinfacht werden, wenn eine konstante Last von dem Kettenzug zu handhaben ist. Dann wird in einer Geschwindigkeitsvorsteuerung wegabhängig die Kettengeschwindigkeit mit einem programmierbaren Geschwindigkeitsmuster zur Vermeidung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette überlagert.
Außerdem wird bei einem Kettenzug mit einer über ein polygonales Kettenrad geführten Kette und mit einem auf das Kettenrad wirkenden Elektromotor, eine Reduzierung der Auswirkungen des Polygoneffekts dadurch erreicht, dass dem Elektromotor ein elektronischer Dämpfer vorgeschaltet ist, der eine Steuerung des Elektromotors in der Art bewirkt, dass eine Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette verhindert wird.
In vorteilhafter Weise werden durch den elektronischen Dämpfer ein ruhiger Lauf der Kette, eine geringere Schwellbelastung des Kettenzugs und kaum auftretende störende Resonanzeffekte erreicht. Der elektronische Dämpfer kann besonders vorteilhaft an eine Veränderung der Dämpfungsparameter angepasst werden.
Besonders vorteilhaft ist, dass dem elektronischen Dämpfer als erste Eingangsgröße eine Soll-Drehzahl des Kettenrades und als zweite Eingangsgröße ein Ist-Winkel des Kettenrades zugeordnet ist. Bevorzugt wird am Kettenrad ein Sensor in Form eines Impulsgebers zur impulsweisen Ermittlung des Ist-Winkels angeordnet, von dem pro Kettenradumdrehung mindestens ein winkelsynchroner Impuls erzeugt wird. Die augenblickliche Winkellage wird dann durch Interpolation zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen bestimmt.
Der elektronische Dämpfer ist vorzugsweise als Vorsteuerglied ausgebildet, welches Bestandteil eines offenen Regelkreises ist. Diese Lösung ist gegenüber einem auch möglichen geschlossenen Regelkreis mit einem Zustandsregler weniger aufwendig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine empirische Optimierung der dämpfenden Steuergröße dadurch erreicht, dass mindestens Sensor die Wirkung einer sich aufbauenden Resonanzschwingung erfasst und bei Bedarf die dämpfende Steuergröße verändert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Figur 1
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kettenzug mit einem elektronischem Dämpfer und
Figur 2
ein Kraft-Zeit-Diagramm der polygonerregten Kettenschwingung eines Kettenzugs nach dem Stand der Technik und
Figur 3
ein Kraft-Zeit-Diagramm der polygonerregten Kettenschwingung eines erfindungsgemäßen Kettenzugs.
Die Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kettentriebs in Anwendung für einen Kettenzug 1 zum Heben und Senken von Lasten 6, von dem schematisch ein Elektromotor 2, ein mit dessen nicht dargestellter Abtriebswelle verbundenes Getriebe 3 und ein mit dessen wiederum nicht dargestellter Abtriebswelle verbundenes Kettenrad 4 zu erkennen sind. Das Kettenrad 4 ist in herkömmlicher Weise als Taschenrad mit einem polygonalen Umfang und mit einer ungleichförmigen Teilung für die Aufnahme der relativ zueinander verschwenkbaren Kettenglieder der Gliederkette 5 ausgebildet. Das Entsprechend der ungleichförmigen Teilung des Kettenrades 4 ist die Kette 5 mit ihren Kettengliedern in der Weise um das Kettenrad 4 geführt, dass die einzelnen Glieder abwechselnd hintereinander stehend und liegend mit dem Kettenrad 4 in Eingriff kommen. Die Gliederkette 5 ist als Rundstahlkette ausgebildet und dient in üblicher Weise als Tragorgan für die zu hebende beziehungsweise abzusenkende Last 6, die an dem unteren Ende der Kette 5 hängt.
Die als Tragorgan frei hängende Kette 5 wird mechanisch nicht geführt und ist in Bezug auf seitliche Auslenkungen nahezu ungedämpft. Die wirksamen Länge der Kette 5 variiert je nach der vertikalen Position der Last 6. Auch kann sich im Betrieb die von dem Kettenzug 1 zu handhabende Last 6 ändern. Die Eigenfrequenz des Kettenzuges 1 ist eine Funktion der Federkonstanten der Kette 5, in die auch die variable wirksame Länge der Kette 5 eingeht, und der Masse von Last 6 und Kette 5. Durch die variablen Massen der Lasten 6 und die ändernden wirksamen Längen der Kette 5 entsteht ein Band von Eigenfrequenzen für den Kettenzug 1. Mit der Änderung der Masse und der wirksamen Länge der Kette 5 ändern sich auch die Eigenfrequenzen des Kettenzuges sowie die Lage der Resonanzstellen entlang der Kette 5. Der Kettenzug 1 stellt somit ein schwingungsfähiges Gebilde mit ausgeprägten Resonanzpunkten dar. Das zugehörige mechanische Modell entspricht einem ungedämpften Schwinger.
Es ist bekannt, dass eine Anregung eines Kettenzuges 1 im Bereich seiner Eigenfrequenzen zu Resonanzeffekten führt. Derartige Resonanzeffekte haben die unerwünschte Folge, dass ausgehend von der geringen Dämpfung der Kette 5 es zu erheblichen überwiegend seitlichen Auslenkungen der Kette 5 kommt.
Die für die Anregung des Kettenzuges 1 in Frage kommenden Erregerfrequenzen ergeben sich aus der Geometrie und der Drehzahl des Kettenrades 4. Da wie zuvor beschrieben das Kettenrad 4 eine ungleichförmige Teilung aufweist, werden mindestens zwei Erregerfrequenzen erzeugt, die durch die in Bezug auf die Drehachse des Kettenrades 4 unterschiedlich geometrisch angeordneten Eingriffspunkte für die stehenden und liegenden Glieder der Kette 5 bedingt sind. Diese beiden Erregerfrequenzen überlagern sich additiv.
Die zugehörige Wegschwankungsamplitude y pol lautet: ypol = s1 sin (eΨrad) + s2 sin (2eΨrad) Hierbei bedeuten:
  • e Anzahl der Ecken des Kettenrades
  • s1 Fourier-Koeffizient
  • s2 Fourier-Koeffizient
  • Ψrad Ist-Winkel im Bogenmaß
    • Die zugehörige Geschwindigkeitsschwankungsamplitude y ˙ pol lautet: y pol = ψrad [es1 cos (eΨrad) + 2es2 COS (2eΨrad)]
    Neben den vertikalen Geschwindigkeitsschwankungen der ungeführten Gliederkette 5 treten auch in einer kleineren Größenordnung horizontale Geschwindigkeitsschwankungen auf. Bei Laschenketten wird demgegenüber durch das gleichförmige Kettenrad 4 nur eine Erregerfrequenz erzeugt. Diese Erregerfrequenzen führen dazu, dass der Kettentrieb 1 an mindestens zwei Positionen des nutzbaren Hubweges der Kette 5 in die unerwünschte Eigenresonanz gerät. Beim Durchfahren der Resonanzstellen entlang des Hubweges der Last 6 gerät die Last 6 in heftige Schwingungen. Die Schwingungsamplitude der Geschwindigkeitsschwankung der Kette 5 und der daraus resultierenden Kettenkraftschwankung ist um ein Vielfaches größer als die durch den Polygoneffekt hervorgerufenen Geschwindigkeits- und Kettenkraftschwankungen. Im Gegensatz zu den durch die Eigenresonanz hervorgerufenen Schwingungen führen die durch den Polygoneffekt kaum zu einer Störung des Betriebs des Kettenzuges 1.
    Die ungleichförmige Teilung des Kettenrades 4 ruft die auch als Polygoneffekt bekannte Schwankung der Ablaufgeschwindigkeit der Kette 5 von dem Kettenrad 4 hervor, die auch zu einer Laufunruhe des Kettenzuges 1 führt, jedoch im Vergleich zu den vorbeschriebenen Resonanzeffekten geringer sind
    Ausgehend von der Erkenntnis, dass in dem in kinetischer Hinsicht betrachteten System des Kettenzuges 1 praktisch eine Dämpfung fehlt, liegt der vorliegenden Erfindung die Kernidee zu Grunde, diese fehlende Dämpfung elektronisch zu realisieren. Hierzu wird dem über eine Leistungs-Endstufe 7 mit Energie versorgte Elektromotor 2 ein elektronischer Dämpfer 8 vorgeschaltet. Die Aufgabe des elektronischen Dämpfers 8 ist es, den Elektromotor 2 über die Leistungs-Endstufe 7 so zu steuern beziehungsweise zu regeln, dass der durch die über das Kettenrad 4 ablaufende Kette 5 hervorgerufene Polygoneffekt soweit verändert wird, dass die Anregung der Eigenresonanzen im Bereich des Hubweges mit sich ändernder wirksamer Kettenlänge und für unterschiedliche Lasten verhindert wird. Ein ruhiger Lauf der Kette 5 und somit der Last 6 ist die direkte Folge.
    Eine geeignete Steuergröße für den elektronischen Dämpfer 8 lässt sich ausgehend von den folgenden kinetischen Grundlagen ermitteln.
    Die Bewegungsgleichung für den praktisch ungedämpften Kettenzug 1 lautet: mÿm + kym = kypol Hierbei bedeuten:
  • m Masse der Kette 5 und der Last 6
  • k Federkonstante der Kette 5
  • ym Wegschwankungsamplitude bezogen auf die Masse m
    • Gegenüber einem für den Betrieb eines Kettenzuges 1 gewünschten gedämpften Systems fehlt der in gedämpften Systemen übliche Term c y ˙ m. In der vorliegenden Erfindung wird dieser Term durch die elektronische Dämpfungskraft FD realisiert. Die erforderliche Dämpfungskraft FD wird in dem elektronischen Dämpfer 8 über eine kontinuierliche sensorische Erfassung der jeweils aktuellen Winkelstellung ψrad aus der Wegschwankungsamplitude y pol, ermittelt.
    Die Bewegungsgleichung für den mit dem elektronischen Dämpfer 8 gedämpften Kettenzug 1 lautet: mÿm + kym = ky pol+ FD Hierbei bedeuten:
  • m Masse der Kette 5 und der Last 6
  • k Federkonstante der Kette 5
  • y m Wegschwankungsamplitude bezogen auf die Masse m
    • Aus der Lösung der Differentialgleichung ÿ m kann die Geschwindigkeitsschwankungsamplitude y ˙ m bezogen auf die Masse m ermittelt werden: y m= ψ k [V1es1 cos (eΨrad - 1) + V22es2 cos (2eψrad - 2)]
    Hierbei gilt: V = 1(1-η2)2 + 4D 2η2 und ϕ= 2Dη 1-η2 mit D als Dämpfungsmaß nach Lehr und η als Frequenzverhältnis.
    Aus einem Vergleich der Gleichung der Geschwindigkeitsamplitude y ˙ pol im Bereich des Kettenrades 4 mit der Gleichung für die Geschwindigkeitsamplitude y ˙ m im Bereich der Masse m ergibt sich, dass die dämpfende Steuergröße ein um V1, V2 verstärktes sowie um 1, 2 phasenverschobenes Korrektursignal ist. Die Größen V1, V2 sowie 1, 2 werden durch Lösung der Differentialgleichung bestimmt. Die Größen V1, V2 sowie 1, 2 können leicht verändert werden und hierdurch eine Anpassung zur Berücksichtigung von Totzeiten, die durch Trägheiten oder Spiel im Kettentrieb bedingt sind, einfach möglich. Somit ist eine einfache Optimierung des elektronischen Dämpfers 8 auf den Istzustand des Kettentriebes 1 durchzuführen.
    Eine suboptimale Einstellung der dämpfenden Steuergröße führt dazu, dass die Resonanzschwingung nicht hinreichend gedämpft, im ungünstigsten Fall sogar angefacht wird.
    Die so ermittelte dämpfende Steuergöße wird dem elektrischen Dämpfer zugeführt und bewirkt eine dem Polygoneffekt entgegenwirkende schwellende Drehzahländerung des Kettenrades 4. Hierzu wird der elektronische Dämpfer 8 mit der Soll-Drehzahl nsoll als erste Eingangsgröße versorgt. Als weitere Eingangsgröße dient der Ist-Winkel ψrad des Kettenrades 4, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel an dem Kettenrad 4 oder wahlweise an dem Elektromotor 2 oder dem Getriebe 3 über einen Sensor in Form eines Impulsgebers 9 abgegriffen wird. Der Impulsgeber 9 kann optisch, magnetisch oder induktiv sein, von dem pro Umdrehung des Kettenrads 4 mindestens ein winkelsynchroner Impuls erzeugt wird. Die augenblickliche Winkellage ψrad wird dann durch Interpolation zwischen 2 aufeinander folgenden Impulsen bestimmt. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Polygoneffekt über andere vorzugsweise leichter erfassbare Größen, wie beispielsweise den Strom des Motors 2, die Kettengeschwindigkeit oder die Kettenkraft zu bestimmen.
    Der elektronische Dämpfer 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Vorsteuerglied ausgebildet, in dem die zweite Eingangsgröße der Ist-Winkel Ψrad über eine mathematische Funktion y ˙ m (Ψrad) höherer Ordnung in einen Korrekturwert für die erste Eingangsgröße die Soll-Drehzahl nsoll umgerechnet wird und in dem Summationspunkt mit der Soll-Drehzahl nsoll überlagert wird. Als Ausgangsgröße liefert der elektronische Dämpfer 8 somit wieder eine Sollgröße n*soll als Eingangsgröße für die Leistungs-Endstufe 7.
    Grundsätzlich wäre es auch möglich, den elektronischen Dämpfer 8 als Zustandsregler auszubilden und somit einen geschlossenen Regelkreis im Gegensatz zu dem Regelkreis mit dem vorbeschriebenen Vorsteuerglied zu bilden.
    Zusätzlich wird eine Optimierung der dämpfenden Steuergröße durch Rückführung des Motorstromes, der Kettengeschwindigkeit oder der Kettenkraft in den elektronischen Dämpfer 8 erreicht. Diese messbaren Größen erfahren durch eine einsetzende Resonanzschwingung eine entsprechende, überlagerte Schwingung, die einen Rückschluss auf eine noch vorhandene Resonanzschwingung beziehungsweise Rest-Resonanzschwingung erlauben. Hiervon ausgehend kann dann die dämpfende Steuergröße y ˙ m in dem elektronischen Dämpfer 8 optimiert werden.
    In einer vereinfachten Ausführung des elektronischen Dämpfers 8 kann einfach die Kettengeschwindigkeit moduliert werden, so dass die Anregung mit der kritischen Frequenz durch die Änderung der Geschwindigkeit verhindert wird. Es wird somit gezielt einer Einstellung einer Anregung des Kettenzuges 1 entgegengewirkt, indem die Erregerfrequenz stetig verändert wird. Auch ist es möglich im Falle einer konstanten Last 6 mittels eine Geschwindigkeitsvorsteuerung wegabhängig die Kettengeschwindigkeit mit einem programmierbaren Geschwindigkeitsmuster so zu überlagern, dass damit Resonanzschwingungen verhindert werden.
    Auch können die Resonanzstellen durch die oben beschriebenen Rückführungen des Motorstromes, der Kettengeschwindigkeit oder der Kettenkraft in den elektronischen Dämpfer 8 festgestellt werden oder sind geschwindigkeitsabhängig bei bekannter Last 6 aus den Systemgrößen des Kettentriebs 1 bestimmbar, so dass eine Lageerfassung am Kettentrieb ausreicht, um die Annäherung an eine Resonanzstelle zu bestimmen.
    In der Figur 2 ist ein Kraft-Zeit-Diagramm der polygonerregten Kettenschwingung eines Kettenzugs nach dem Stand der Technik gezeigt. Im Vergleich hierzu ist in der Figur 3 ein Kraft-Zeit-Diagramm der polygonerregten Kettenschwingung eines erfindungsgemäßen Kettenzugs dargestellt. Es ist ersichtlich, dass über die in der x-Achse dargestellte Zeit von 0 bis etwa 11 s, in der versuchsweise ein Hebevorgang einer Last durchgeführt wird, die Schwankungsbreite der auf der y-Achse aufgetragenen Kettenkraftamplitude von bis zu etwa ± 700N durch den erfindungsgemäßen elektronischen Dämpfer 8 bis auf etwa ± 70N reduziert werden kann. Hierdurch wird ein ruhiger Lauf der Kette und eine geringere Schwellbelastung des Kettenzugs erreicht.
    Bezugszeichenliste
    1
    Kettenzug
    2
    Elektromotor
    3
    Getriebe
    4
    Kettenrad
    5
    Gliederkette
    6
    Last
    7
    Leistungs-Endstufe
    8
    elektronischer Dämpfer
    9
    Impulsgeber
    Ψrad
    Ist-Winkel
    nsoll
    Soll-Drehzahl
    n*soll
    Dämpfende Steuergröße

    Claims (11)

    1. Verfahren zur Laufberuhigung einer Gliederkette eines Kettenzuges, insbesondere zur Verhinderung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette, in dem eine Gliederkette über ein polygonales Kettenrad mit ungleichförmiger Teilung geführt wird, das von einem Elektromotor angetrieben wird,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeit des Kettenrades (4) eine periodische und/oder stochastische sowie dämpfende Steuergröße überlagert wird und die dämpfende Steuergröße eine Änderung der Kettengeschwindigkeit in Art bewirkt, dass eine Ausbildung einer Resonanzschwingung verhindert wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) über einen elektronischen Dämpfer (8) angesteuert wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektronischen Dämpfer (8) als erste Eingangsgröße eine Soll-Drehzahl (nsoll) des Kettenrades (5) und als zweite Eingangsgröße ein Ist-Winkel (Ψrad) des Kettenrades (5) zugeführt werden und in dem elektronischen Dämpfer (8) aus den beiden Eingangsgrößen eine dämpfende Steuergröße errechnet wird, die in Form einer gedämpften Drehzahl (n*soll) an den Elektromotor (2) übergeben wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als dämpfende Steuergröße eine Dämpfungskraft (FD) in dem elektronischen Dämpfer (8) berechnet wird, die proportional der Geschwindigkeitsschwankungsamplitude (y ˙ m) der Last (6) ist und aus dem sensorisch erfassten Ist-Winkel (Ψrad) berechnet wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkung einer sich aufbauenden Resonanzschwingung durch Sensorik erfasst wird und bei Bedarf die dämpfende Steuergröße verändert wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer konstanten zu hebenden und/oder zu senkenden Last mittels einer Geschwindigkeitsvorsteuerung wegabhängig die Kettengeschwindigkeit mit einem programmierbaren Geschwindigkeitsmuster zur Vermeidung der Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette (5) überlagert wird.
    7. Kettenzug mit einer über ein polygonales Kettenrad geführten Kette und mit einem auf das Kettenrad wirkenden Elektromotor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektromotor (2) ein elektronischer Dämpfer (8) vorgeschaltet ist, der eine Steuerung des Elektromotors (2) in der Art bewirkt, dass eine Ausbildung einer Resonanzschwingung der Gliederkette (5) verhindert wird.
    8. Kettenzug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektronischen Dämpfer (8) als erste Eingangsgröße eine Soll-Drehzahl (nSoll des Kettenrades (4) und als zweite Eingangsgröße ein Ist-Winkel (Ψrad) des Kettenrades (4) zugeordnet ist.
    9. Kettenzug nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Kettenrad (4) ein Sensor in Form eines Impulsgebers (9) zur impulsweisen Ermittlung des Ist-Winkels (ψrad) angeordnet ist.
    10. Kettenzug nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Dämpfer (8) als Vorsteuerglied ausgebildet ist.
    11. Kettenzug nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Sensor die Wirkung einer sich aufbauenden Resonanzschwingung erfasst und bei Bedarf die dämpfende Steuergröße verändert wird.
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