EP2878566A1

EP2878566A1 - Verfahren zur Beeinflussung einer Bewegung einer an einem Kran aufgenommenen Last

Info

Publication number: EP2878566A1
Application number: EP13194814.3A
Authority: EP
Inventors: Carsten Hamm; Uwe Ladra
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: CN104671090A; ES2572029T3; CN104671090B; EP2878566B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung einer Bewegung einer Last (5), die derart an einem Kran (1) aufgehängt ist, dass jeweils einer von zumindest vier an dem Kran vorgesehenen Kranaufhängepunkten (K 1 , K 2 , K 3 , K 4 ) mit einem von zumindest vier an der Last (5) vorgesehenen Lastaufhängepunkten (C 1 , C 2 , C 3 , C 4 ) über zumindest ein seilartiges Befestigungsmittel (4) verbunden ist, und die Befestigungsmittel (4) mit Verstelleinrichtungen (9) verbunden sind, über welche deren Länge zwischen den jeweiligen Aufhängepunkten individuell veränderbar ist, und wobei an dem Kran (1) eine insbesondere optische Erfassungseinrichtung (11) vorgesehen ist, über welche ein Drehwinkel (È) der Last und/oder zumindest eine dessen zeitlichen Ableitungen erfasst werden kann, wenn die Last (5) eine Drehbewegung um eine Hochachse (H) ausführt, bei dem der Drehwinkel (È) und/oder eine Ableitung erfasst wird, und unter Verwendung eines mathematischen Modells sowie unter Berücksichtigung der Geometrie der Lastaufhängung Sollwerte für die Verstelleinrichtungen (9) berechnet und diese auf die Sollwerte gesteuert werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kran (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung einer Bewegung einer an einem Kran aufgenommenen Last, sowie einen Kran.
Zum Umschlagen von Lasten, zum Beispiel von einem Schiff auf einen Lastkraft- oder einen Eisenbahnwagen, kommen Krane, insbesondere sogenannte Containerbrücken zum Einsatz. Derartige Kräne können einen im Wesentlichen horizontal orientierten Ausleger sowie eine entlang des Auslegers mittels einer Laufkatzenantriebseinrichtung linear bewegbare Laufkatze aufweisen. Es kann ferner eine Kranantriebseinrichtung vorgesehen sein, über welche der gesamte Kran in der Regel quer zur Bewegungsrichtung der Laufkatze und damit quer zur dem Ausleger verfahrbar ist.
Für einen Transportvorgang wird die umzuschlagende Last, bei welcher es sich um einen Container oder dergleichen handeln kann, über ein bzw. mehrere seilartige Befestigungsmittel, z.B. Seile, Ketten, Bänder oder dergleichen, an dem Kran, insbesondere an der Laufkatze des Krans befestigt. Die Länge der seilartigen Befestigungsmittel ist über ein der Laufkatze zugeordnetes Hubwerk veränderbar. Die Last kann unmittelbar an den seilartigen Befestigungsmitteln befestigt sein. Alternativ können die Befestigungsmittel mit einem Lastaufnahmemittel, z.B. einem sogenannten Spreader, verbunden werden, der wiederum die Last aufnimmt. Der Spreader umfasst hierzu vorteilhaft eine Greifvorrichtung, mit der Lasten unterschiedlicher Abmessungen gegriffen werden können.
Die über die seilartigen Befestigungsmittel und ggf. den Spreader an der Laufkatze hängende Last kann dann unter Verwendung des Hubwerkes angehoben, über eine Bewegung der Laufkatze entlang des Auslegers sowie eine Bewegung des Auslegers bzw. des gesamten Krans insbesondere quer zur Bewegungsrichtung der Laufkatze von dem Schiff an Land oder umgekehrt transportiert und anschließend abgesetzt werden.
Bei einem derartigen Transportvorgang besteht das Problem, dass die seilgeführte Last durch die Bewegung der Laufkatze und gegebenenfalls die Bewegung des Kranes sowie durch äußere Einflüsse, wie etwa Wind, zu verschiedenen schwingungsartigen Bewegungen angeregt wird. Dabei kann die Last zu translatorischen Pendelbewegungen, d.h. Bewegungen in der Art eines Fadenpendels angeregt werden, sowie zu schwingenden Drehbewegungen um eine ihrer Achsen, bei denen sich die Last nach Art eines Rotationspendels bewegt. Bei den letztgenannten rotatorischen Schwingungsbewegungen ist insbesondere die Drehbewegung um eine Hochachse der Last von Bedeutung, die auch als Skew-Bewegung bezeichnet wird.
Da mit den unterschiedlichen Schwingungsbewegungen der Last Risiken einhergehen, müssen diese beobachtet und gegebenenfalls Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, den aktuellen Pendel- und/oder Drehwinkel einer mittels eines Krans umzuschlagenden seilgeführten Last zu erfassen. Als Pendelwinkel wird dabei in der Regel der im aktuellen Auslenkungszustand der Last zwischen dem wenigstens einen seilartigen Befestigungsmittel, mit dem diese an der Laufkatze befestigt ist, und der Vertikalen eingeschlossene Winkel, bzw. dessen Projektion in die von der Bewegungsrichtung der Laufkatze und der Vertikalen aufgespannte Ebene gemessen bzw. erfasst. Bei dem Drehwinkel handelt es sich um den Winkel, um den die Last, wenn sie eine Drehbewegung um eine ihrer Achsen ausführt, gegenüber einer Nullposition verdreht ist. Führt die Last eine Skew-Bewegung aus, also eine Drehbewegung um die Hochachse, so spricht man auch von dem Skew-Winkel.
Zur Erfassung der aktuellen Pendel- bzw. Drehwinkel kommen insbesondere der Kranstruktur zugeordnete optische Erfassungseinrichtungen zum Einsatz, z.B. Kamerasysteme, mit denen die translatorischen und/oder rotatorischen Schwingungsbewegungen der Last beobachtet werden können.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, ausgehend von dem erfassten aktuellen Pendelwinkel z.B. die Bewegung der Laufkatze gezielt derart zu steuern, dass die translatorischen Schwingungsbewegungen der Last beeinflusst, insbesondere gedämpft werden. Auch auf die Drehbewegung der Last um eine ihrer Achsen, insbesondere die Skew-Bewegung der Last wird Einfluss genommen, wobei dies händisch durch einen den Kran steuernden Kranführer erfolgt. Dabei ist man für einen sicheren Betrieb der Krananlage auf die Fähigkeiten und die Erfahrung des Kranführers angewiesen. Diese rein manuelle Vorgehensweise wird daher teilweise als nachteilig erachtet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Beeinflussung einer Bewegung einer an einem Kran aufgenommenen Last, die Drehbewegungen um eine Hochachse ausführt, anzugeben, durch welches die Drehbewegungen zuverlässig beeinflusst werden können und somit ein sicherer Lasttransport gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Beeinflussung einer Bewegung einer an einem Kran aufgenommenen Last, wobei die Last über seilartige Befestigungsmittel derart an dem Kran aufgehängt ist, dass jeweils einer von zumindest vier an dem Kran vorgesehenen Kranaufhängepunkten mit einem von zumindest vier an der Last oder an einem Lastaufnahmemittel vorgesehenen Lastaufhängepunkten über zumindest ein seilartiges Befestigungsmittel verbunden ist, und wobei die seilartigen Befestigungsmittel mit Verstelleinrichtungen verbunden sind, über welche die Länge der seilartigen Befestigungsmittel zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt individuell veränderbar ist, und wobei an dem Kran eine insbesondere optische Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, über welche ein Drehwinkel der Last und/oder zumindest eine der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels erfasst werden kann, wenn die Last eine Drehbewegung um eine Hochachse ausführt, bei dem

mittels der Erfassungseinrichtung der Drehwinkel und/oder zumindest eine der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels der Last erfasst wird,
auf Basis des erfassten Drehwinkels und/oder der zeitlichen Ableitungen und unter Verwendung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Drehbewegung der Last sowie unter Berücksichtigung der Geometrie der Lastaufhängung Sollwerte für die Verstelleinrichtungen berechnet werden, und
die Verstelleinrichtungen jeweils auf den berechneten Sollwert gesteuert werden.

Erfindungsgemäß wird beim Transport einer seilgeführten Last mittels eines Krans die Drehbewegung der Last um eine Hochachse, die auch als Skew-Bewegung bezeichnet wird und z.B. durch äußere Einflüsse, wie etwa Wind, oder durch eine für den Lasttransportvorgang erforderliche Bewegung des Krans bzw. eines Teiles desselben verursacht wird, beeinflusst, indem die Länge der seilartigen Befestigungsmittel, über welche die Last an dem Kran gehalten ist, gezielt individuell verändert wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der aktuelle Drehwinkel und/oder eine der zeitlichen Ableitungen des aktuellen Drehwinkels, z.B. die Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder die Drehwinkelbeschleunigung, mittels einer an dem Kran vorgesehenen Erfassungseinrichtung, bei der es sich z.B. um ein Kamerasystem handeln kann, erfasst. Ausgehend von dem erfassten Drehwinkel und/oder der zeitlichen Ableitung werden Sollwerte für die Verstelleinrichtungen, mittels derer die Länge der seilartigen Befestigungsmittel individuell veränderbar ist, ermittelt. Hierzu wird erfindungsgemäß ein mathematisches Modell verwendet, über welches die Drehbewegung der Last beschrieben wird, und es werden die Geometrie der Lastaufhängung, insbesondere die Position der Kran- und Lastaufhängepunkte, sowie der Verlauf der seilartigen Befestigungsmittel, die einerseits mit dem Kran und andererseits mit der Last bzw. dem die Last tragenden Lastaufhängemittel verbunden sind, berücksichtigt.
Die unter Heranziehung des mathematischen Modells und unter Berücksichtigung der Geometrie der Lastaufhängung ermittelten Sollwerte werden anschließend an die Verstelleinrichtungen übergeben, die auf diese gesteuert bzw. geregelt werden. Im Ergebnis wird über die individuelle Längenveränderung der seilartigen Befestigungsmittel die Drehbewegung der Last auf gezielte Art und Weise beeinflusst.
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein stabiles Verhalten der Last während eines Transportvorganges auch unter äußeren Einflüssen wie etwa Wind ermöglicht. Im Ergebnis kann ein besonders sicherer Lasttransport gewährleistet werden.
Die Geometrie der Lastaufhängung ist z.B. derart, dass zumindest ein seilartiges Befestigungsmittel jeweils einen von den wenigstens vier Kranaufhängepunkten mit einem von den wenigstens vier Lastaufhängepunkten verbindet.
Erfindungsgemäß kann z.B. die Länge der seilartigen Befestigungsmittel zwischen jedem der Kranaufhängepunkte und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt unabhängig von der Länge zwischen den anderen Paaren von Aufhängepunkten verändert werden. Dann ist jedem Kranaufhängepunkt und mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt eine Verstelleinrichtung zugeordnet, die mit dem entsprechenden seilartigen Befestigungsmittel verbunden ist. Alternativ kann z.B. für den Fall, dass die Kran- und Lastaufhängepunkte jeweils ein Rechteck aufspannen, die Länge zwischen den Kran- und damit verbundenen Lastaufhängepunkten in gegenüberliegenden Eckpunkten paarweise veränderbar sein.
Die seilartigen Befestigungsmittel verlaufen zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt insbesondere schräg zur Vertikalen. Das bedeutet, dass zwischen den Befestigungsmittel und der Vertikalen ein Winkel größer Null eingeschlossen ist. Dabei ist auf die Ruhelage der Last abzustellen. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Last, z.B. aufgrund einer Pendelbewegung, in eine Lage kommt, in der sich die seilartigen Befestigungsmittel - momentan - entlang der Vertikalen erstrecken. Verlaufen die seilartigen Befestigungsmittel auf die vorgenannte Weise, kann die Drehbewegung der Last um eine Hochachse durch eine Längenänderung der Befestigungsmittel effizient beeinflusst werden. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass vier Kranaufhängepunkte und vier Lastaufhängepunkte vorgesehen sind, von denen jeweils ein Rechteck aufgespannt wird und insbesondere die beiden Rechtecke nicht zueinander ähnlich, insbesondere nicht gleich sind. Werden Rechtecke aufgespannt, so kann z.B. das von den Kranaufhängepunkten aufgespannte Rechteck eine größere Fläche einschließen, als das von den Lastaufhängepunkten.
Als Verstelleinrichtungen können z.B. Hydraulikzylinder zum Einsatz kommen. Die Hydraulikzylinder sind dann beispielsweise jeweils mit einem freien Ende eines der seilartigen Befestigungsmittel verbunden. Durch ein Herein- bzw. Herausfahren der Hydraulikzylinder kann so die Länge der seilartigen Befestigungsmittel zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt verändert werden. Die Dynamik derartiger Hydraulikzylinder ist in der Regel verglichen mit den auftretenden schwingenden Drehbewegungen der Last so schnell, dass die Änderung der Länge der seilartigen Befestigungsmittel im Zeitrahmen der Schwingungsdauer nahezu unmittelbar erfolgt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine effektive Trägheit der Drehbewegung der Last und eine effektive Steifigkeit der Drehbewegung der Last berechnet wird und aus der berechneten effektiven Trägheit und der berechneten effektiven Steifigkeit eine Eigenkreisfrequenz der Drehbewegung der Last berechnet und bei der Berechnung der Sollwerte für die Verstelleinrichtungen berücksichtigt werden.
Anschaulich kann die effektive Steifigkeit der Drehbewegung der Last, die auch als Skew-Steifigkeit bezeichnet werden kann, als ein Maß für das Rückstellmoment betrachtet werden, wenn die Last aus ihrer Ruhelage heraus um eine Hochachse verdreht wird.
Alternativ oder zusätzlich zu der zuvor beschriebenen Berechnung der Eigenkreisfrequenz der schwingenden Drehbewegung der Last aus der effektiven Trägheit und der effektiven Steifigkeit kann die Eigenkreisfrequenz z.B. auch mittels Schwingversuchen ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass mittels des verwendeten mathematischen Modells die zu dämpfende Drehbewegung der Last in Analogie zu einem einfachen Torsionsschwinger berechnet wird.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich ferner dadurch aus, dass ein Stellgesetz hergeleitet und verwendet wird, über welches eine Änderung der Länge der seilartigen Befestigungsmittel zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt mit Hilfe der Verstelleinrichtungen in eine resultierende Änderung eines Drehwinkels der Last umrechenbar ist.
Es hat sich als zweckmäßige herausgestellt, für eine konkrete Geometrie der Lastaufhängung ein Stellgesetz zu ermitteln, über welches der Zusammenhang zwischen der Änderung der Länge der seilartigen Befestigungsmittel und der daraus resultierenden Änderung des Drehwinkels der Last hergestellt wird.
Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein Winkelstellsignal ermittelt und bei der Berechnung der Sollwerte für die Verstelleinrichtungen berücksichtigt wird. Dabei kann z.B. ein zuvor ermitteltes Stellgesetz zum Einsatz kommen, um aus dem Winkelstellsignal einen Sollwert für die Verstelleinrichtungen zu ermitteln.
Es kann ferner dabei vorgesehen sein, dass das Winkelstellsignal mindestens zwei Komponenten umfasst, insbesondere eine erste Komponente, die durch eine Sollgröße zur Positionierung der Last gegeben ist, und eine zweite Komponente, die durch eine Regelgröße zur Beeinflussung der Drehbewegung der Last gegeben ist. Das Winkelstellsignal setzt sich in diesem Fall aus einer Sollgröße für die Positionierung der Last, die auch als Skew-Positio-nierung bezeichnet werden kann, sowie aus einer Regelgröße zur Beeinflussung der Drehbewegung der Last zusammen.
In Weiterbildung ist dabei vorgesehen, dass eine erste Komponente des Winkelstellsignals ermittelt wird, über die eine vorgegebene Position der Last, insbesondere eine Nullposition der Last, einstellbar ist. Eine Last kann so auf besonders einfache Weise unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine gewünschte Position gebracht werden. Bei der gewünschten Position kann es sich insbesondere um eine Nullposition handeln, in welcher z.B. die Längsachse oder die Querachse der Last parallel zu der Längsachse des Auslegers des Krans orientiert ist.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine zweite Komponente des Winkelstellsignals ermittelt wird, über die eine Dämpfung der Drehbewegung der Last in vorgegebenem Maße erzielbar ist und/oder die Eigenkreisfrequenz der Drehbewegung der Last auf einen vorgegebenen Wert einstellbar ist.
Die Zeit, die erforderlich ist, bis sich eine Schwingung der Last beruhigt hat, hängt von der Periodendauer der Schwingung ab. Sie ist also indirekt proportional zu der Eigenkreisfrequenz der Schwingung. Folglich ist die absolute Zeit zum Ausschwingen bei einer höheren Eigenkreisfrequenz kleiner als bei einer niedrigeren Eigenkreisfrequenz. Indem die Eigenkreisfrequenz der Drehbewegung der Last in vorgenannter Weise erfindungsgemäß verändert werden kann, kann die zum Ausschwingen erforderliche absolute Zeit gezielt beeinflusst, insbesondere reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein von der Geometrie der Lastaufhängung und/oder den Eigenschaften der Verstelleinrichtungen abhängiger Maximalwert für das Winkelstellsignal berechnet. Damit können die Sollwerte für die Verstelleinrichtungen auf den physikalisch möglichen bzw. sinnvollen Bereich begrenzt werden. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausführungsform insbesondere, eine Überdimensionierung der Verstelleinrichtungen zu vermeiden. Hierfür wird erfindungsgemäß berechnet, welche maximalen Winkelstellsignale in Abhängigkeit der Geometrie der Lastaufhängung erzielt werden können, und aus den maximalen Winkelstellsignalen werden die zugehörigen maximal erforderlichen Verstellwege der Verstelleinrichtungen ermittelt. Im Ergebnis wird eine optimierte konstruktive Auslegung von einem Kran, mittels dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, ermöglicht, wodurch insbesondere Kosten eingespart werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Steifigkeit der seilartigen Befestigungsmittel und/oder die Masse der Last und/oder die Masse eines an der Last vorgesehenen Lastaufnahmemittels und/oder das Trägheitsmoment der Last und/oder das Trägheitsmoment des Lastaufnahmemittels und/oder die Hubhöhe der Last bestimmt und bei der Berechnung der Sollwerte für die Verstelleinrichtungen berücksichtigt werden. Diese Größen können dann zum Beispiel im Rahmen der Berechnung der Drehbewegung der Last herangezogen werden.
Dabei kann insbesondere die Steifigkeit der seilartigen Befestigungsmittel und/oder die Masse der Last und/oder die Masse eines an der Last vorgesehenen Lastaufnahmemittels und/oder das Trägheitsmoment der Last und/oder das Trägheitsmoment des Lastaufnahmemittels und/oder die Hubhöhe der Last einmalig, insbesondere durch einen Anwender, oder mehrfach, insbesondere in vorgegebenen Zeitabständen, mittels geeigneter Sensoren bestimmt werden. Erfolgt z.B. eine Veränderung von der Last und/oder dem Lastaufnahmemittel oder der Hubhöhe, so ist eine erneute Bestimmung der vorgenannten Größen erforderlich. Die Bestimmung kann z.B. manuell durch einen Benutzer erfolgen, der die Größen dann einstellt, damit diese für die erfindungsgemäß durchzuführenden Berechnungen zur Verfügung stehen. Alternativ kann z.B. auch eine automatisierte Erfassung der vorgenannten Größen, beispielsweise mittels geeigneter Sensoren, z.B. immer wieder in vorgegebenen Zeitabständen erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass im Rahmen der Berechnung der Sollwerte für die Verstelleinrichtungen wenigstens ein regelungstechnisches Beobachtermodell verwendet wird, mit dem insbesondere der Drehwinkel und/oder zumindest eine der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels beobachtet werden.
Die Verwendung von Beobachtermodellen, auch Beobachter genannt, ist im Bereich der Regelungstechnik bekannt. Mit einem Beobachter können aus bekannten Eingangsgrößen, z.B. Stellgrößen, und bekannten Ausgangsgrößen, z.B. Messgrößen, eines beobachteten Referenzsystems Zustände rekonstruiert werden. Man spricht auch davon, dass die Zustände beobachtbar sind. Beobachter kommen beispielsweise im Rahmen der Modellierung von Regelstrecken zum Einsatz. Das physikalische Verhalten einer realen Regelstrecke kann über Differenzialgleichungen mathematisch modelliert werden. Diese sind in der Regel linear oder linearisiert und können als System von Differentialgleichungen erster Ordnung in Matrixschreibweise ausgedrückt werden. Da das mathematische Modell und das Verhalten der realen Regelstrecke nicht exakt übereinstimmen, entwickeln sich diese jedoch mit der Zeit unterschiedlich. Die Beobachter-Theorie führt nun eine Rückführung zum Abgleich des mathematischen Modells mit der realen Regelstrecke ein.
Es kann ferner in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren als vollständige Zustandsregelung durchgeführt wird. Auf diese Weise wird es möglich, alle Zustände auf einmal zu beeinflussen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Kran zum Umschlagen einer Last, die über seilartige Befestigungsmittel derart an dem Kran aufgehängt ist, dass jeweils einer von zumindest vier an dem Kran vorgesehenen Kranaufhängepunkten mit einem von zumindest vier an der Last oder an einem Lastaufnahmemittel vorgesehenen Lastaufhängepunkten über zumindest ein seilartiges Befestigungsmittel verbunden ist, und wobei die seilartigen Befestigungsmittel mit Verstelleinrichtungen verbunden sind, über welche die Länge der seilartigen Befestigungsmittel zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt individuell veränderbar ist, und wobei an dem Kran eine insbesondere optische Erfassungseinrichtung, über welche ein Drehwinkel der Last und/oder zumindest eine der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels erfasst werden kann, wenn die Last eine Drehbewegung um eine Hochachse ausführt vorgesehen ist, und der Kran eine Recheneinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um unter Anwendung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens Sollwerte für die Verstelleinrichtungen zu berechnen und eine Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, um die Verstelleinrichtungen auf die Sollwerte zu steuern, aufweist.
Ein auf diese Weise ausgestalteter Kran ermöglicht die konstruktive Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beeinflussung einer Bewegung einer an einem Kran aufgenommenen Last.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Krans zeichnet sich ferner dadurch aus, dass eine Laufkatze vorgesehen ist, die entlang eines Auslegers des Krans mittels einer Laufkatzenantriebseinrichtung linear bewegbar ist und die wenigstens vier Kranaufhängepunkte an der Laufkatze vorgesehen sind.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Krans ist schließlich vorgesehen, dass die seilartigen Befestigungsmittel zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt schräg zur Vertikalen verlaufen.
Es zeigen:

Figur 1: einen erfindungsgemäßen Kran mit einem Ausleger und einer entlang des Auslegers verfahrbaren Laufkatze, an der eine Last über seilartige Befestigungsmittel befestigt ist, und
Figur 2: eine vergrößerte Darstellung der in Figur 1 gezeigten Last und deren Aufhängung an der Laufkatze
Figur 3: eine schematische Darstellung der Geometrie der Aufhängung der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Last,
Figur 4: die in Figuren 1 bis 3 dargestellte Last in der Draufsicht, und
Figur 5: ein Blockbild zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Beeinflussung einer Bewegung der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Last.

Die Figur 1 zeigt einen Kran 1, hier eine Containerbrücke, die einen im Wesentlichen horizontal verlaufenden Ausleger 2 sowie eine entlang des Auslegers 2 verfahrbare Laufkatze 3 umfasst. Der Laufkatze 3 ist eine in der Figur nicht dargestellte Antriebseinrichtung zugeordnet, über welche diese entlang des Auslegers 2 in beide Richtungen bewegbar ist.
An der Laufkatze 3 des Krans 1 ist über seilartige Befestigungsmittel, hier vier Seile 4, eine Last, bei der es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Container 5 handelt, befestigt. Der Container 5 ist von einem in der Figur nicht dargestellten Schiff zu einem ebenfalls nicht dargestellten Lastkraftwagen zu transportieren. Die vier Seile 4 sind in der Figur 1 schematisch durch nur ein Seil 4 angedeutet.
Wie der Figur 2 entnommen werden kann, die eine vergrößerte Darstellung des in Figur 1 gezeigten Containers 5 und dessen Aufhängung an der Laufkatze 3 zeigt, kommt eine flaschenzugartige Lastaufhängung zum Einsatz. Hierfür sind an einem den Container 5 tragenden Lastaufnahmemittel, bei dem es sich um einen Spreader 6 rechteckiger Form handelt, vier Umlenkrollen 7 vorgesehen. Die vier Umlenkrollen 7 an dem Spreader 6 definieren - wie in Figur 3 gut erkennbar, in welcher die Geometrie von Aufhängepunkten und Seilen 4 schematisch dargestellt ist, vier Lastaufhängepunkte C_1-4. Von den vier Lastaufhängepunkten C_1-4 wird ein Rechteck mit einer kleineren Seite c und einer größeren Seite d aufgespannt.
Acht weitere Umlenkrollen 8 sind ferner an der Laufkatze 3 angebracht (in der Figur 2 ist die Laufkatze 3 selber nicht dargestellt, sondern nur die für die Lastaufhängung erforderlichen Komponenten, die an der Laufkatze 3 vorgesehen sind). Die Umlenkrollen 8 an der Laufkatze 3 sind in vier Paare aufgeteilt, wobei jedes Paar von Umlenkrollen 8 jeweils einen Kranaufhängepunkt K_1-4 an der Laufkatze 3 des Krans 1 definiert. In der Figur 3 ist gut erkennbar, dass von den Kranaufhängepunkte K_1-4 ebenfalls ein Rechteck und zwar mit einer kleineren Seite a und einer größeren Seite b aufgespannt wird. Das von den Kranaufhängepunkten K_1-4 aufgespannte Rechteck umschließt eine größere Fläche, als das von den Lastaufhängepunkten C_1-4 aufgespannte. Durch die konkrete Geometrie verlaufen die Seile 4 - bezogen auf den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ruhezustand des Containers 5 - schräg, also unter einem Winkel zur Vertikalen (in Figur 3 die Z-Achse).
Jedes Seil 4 verbindet ein Paar von Umlenkrollen 8 an der Laufkatze 3, also einen Kranaufhängepunkt K_1-4 mit einer in etwa unterhalb des Paares befindlichen Umlenkrolle 7 an dem Spreader 6, also einem Lastaufhängepunkt C_1-4. Konkret ist jeweils ein Seil 4 über eine erste Umlenkrolle 8 eines Paars von Umlenkrollen an der Laufkatze 3 geführt, erstreckt sich bis zur Umlenkrolle 7 an dem Spreader 6 und ist von dieser zurück zur zweiten Umlenkrolle 8 des Paares von Umlenkrollen 8 geführt.
Jedes Seil 4 ist ferner mit einem seiner beiden freien Enden mit einer von vier an der Laufkatze 3 vorgesehenen Verstelleinrichtungen, bei denen es sich hier um Hydraulikzylinder 9 handelt, verbunden. Mittels der Hydraulikzylinder 9 kann die Länge eines jeden Seiles 4 zwischen einem Kranaufhängepunkt K_1-4 und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt C_1-4 individuell, also unabhängig von der Länge der Seile 4 zwischen den anderen jeweils miteinander verbundenen Aufhängepunkten, verändert werden. Das andere freie Ende jedes Seiles ist mit einem Hubwerk 10, welches ebenfalls an der Laufkatze 3 vorgesehen ist, verbunden. Über das Hubwerk 10 kann die Länge aller vier Seile 4 zwischen den Last- und Kranaufhängepunkten C _x , K _x synchron verändert werden.
Im Rahmen des Transportvorganges unterliegt der über die Seile 4 an der Laufkatze 3 befestigte Container 5 infolge der Bewegung der Laufkatze 3, des Kranes 1 sowie äußerer Einflüsse, wie etwa Wind, Schwingungsbewegungen unterschiedlicher Art. Der Container 5 kann dabei sowohl zu translatorischen Schwingungsbewegungen, d.h. Bewegungen in der Art eines Fadenpendels, als auch zu schwingenden Drehbewegungen um eine seiner Achsen angeregt werden, also Bewegungen in der Art eines Rotationspendels. Vorliegend ist die schwingende Drehbewegung des Containers 5 um seine zentrale Hochachse H von Bedeutung, die auch als Skew-Bewegung bezeichnet wird. Die zentrale Hochachse H des Containers 5 ist in der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ruhelage des Containers 5 vertikal ausgerichtet und verläuft zentral durch die Anordnung von Kranaufhängepunkten K_1-4 und Lastaufhängepunkten C_1-4. Die Skew-Bewegung des Containers 5 um seine zentrale Hochachse H ist in den Figuren 2 und 3 durch einen Pfeil angedeutet.
Da mit den unterschiedlichen Schwingungsbewegungen des Containers 5 Risiken einhergehen, müssen diese beobachtet und Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Daher wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Beeinflussung einer Bewegung einer an einem Kran aufgenommenen Last, die Drehbewegungen um ihre Hochachse ausführt, angewendet.
Zur konstruktiven Umsetzung des Verfahrens weist der erfindungsgemäße Kran 1 eine nur in dem Blockbild in Figur 5 dargestellte optische Erfassungseinrichtung, bei der es sich vorliegend um ein an dem Kran 1 vorgesehenes Kamerasystem 11 handelt, auf. Der Kran 1 umfasst ferner eine Recheneinrichtung 12, die ausgebildet ist, um unter Anwendung des Verfahrens Sollwerte für die Hydraulikzylinder 9 zu berechnen, sowie eine Steuerungseinrichtung 13, die ausgebildet ist, um die Hydraulikzylinder 9 auf die Sollwerte zu regeln.
Im Rahmen der Durchführung des Verfahrens werden die Bewegungen des Containers 5 mit dem Kamerasystem 11 aufgenommen. Es werden mit geeigneter Zeitauflösung der aktuelle Skew-Winkel ψ des Containers 5 sowie dessen aktuelle Skew-Winkel-Geschwindigkeit ψ̇ in an sich bekannter Weise erfasst. Der aktuelle Skew-Winkel ψ ist, wie in der Figur 4 dargestellt, der Winkel, um den der Container 5, wenn er eine schwingende Drehbewegung um seine Hochachse H ausführt, gegenüber einer Nullposition verdreht ist. Die Skew-Winkel-Geschwindigkeit ψ̇ ist die zeitliche Ableitung des Skew-Winkels, die z.B. über Differenzbildung zweier zeitlich beabstandeter Winkelmessungen erhalten werden kann.
Auf Basis des mit dem Kamerasystem 11 erfassten Skew-Winkels ψ_mess und der Skew-Winkel-Geschwindigkeit ψ̇ _mess und unter Heranziehung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Drehbewegung des Containers 5 sowie unter Berücksichtigung der Geometrie der Containeraufhängung werden anschließend erfindungsgemäß Sollwerte für die Hydraulikzylinder 9 berechnet.
Das mathematische Modell, welches im Folgenden näher erläutert wird, ist in der Recheneinrichtung 12 abgelegt. Es ist ferner ein regelungstechnisches Beobachtermodell in der Recheneinrichtung 12 abgelegt. Der aktuelle Skew-Winkel ψ_mess und die aktuelle Skew-Winkel-Geschwindigkeit ψ̇ _mess, die, wie in dem Blockbild in Figur 5 dargestellt, von dem Kamerasystem 11 an die Recheneinrichtung 12 übergeben werden, werden in Schritt S1 mittels des Beobachter-Modells beobachtet. Hierdurch wird die Signalgüte verbessert, z.B. werden Rauschen oder Signalausreißer unterdrückt bzw. geglättet und gegebenenfalls auftretende kurzfristige Signalaussetzer überbrückt.
Um die Sollwerte für die Hydraulikzylinder zu berechnen, werden zunächst erfindungsgemäß die effektive Steifigkeit k _ψ und die effektive Trägheit J _ψ der Skew-Bewegung des Containers 5 berechnet.
Dabei wird eine Formel für die effektive Steifigkeit k _ψ , die auch als Skew-Steifigkeit bezeichnet werden kann, wie folgt erhalten. Zunächst wird ausgehend von den geometrischen Gegebenheiten der Lastaufhängung ein Zusammenhang zwischen der Länge der Seile 4 zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt K_1-4 und dem mit diesem über das jeweilige Seil 4 verbundenen Lastaufhängepunkt C_1-4 hergestellt. Es wird davon ausgegangen, dass die Gesamtanordnung aus Seilen 4 und Aufhängepunkten K_1-4, C_1-4 in der Ruhelage des Containers 5 symmetrisch bezüglich der X-Z-Ebene und Y-Z-Ebene ist (die X-, Y- und Z-Richtungen sind in der Figur 3 dargestellt). Ferner wird davon ausgegangen, dass der Container 5 nur um seine Hochachse H (in der Ruhelage parallel zur Z-Achse) verdreht wird. Für die Seillängen ||L_1,3|| jeweils zwischen den Aufhängepunkten K ₁ und C ₁ sowie K₃ und C₃ erhält man $‖ L_{1, 3} ‖ = \frac{\sqrt{{(a - c \cos (ψ) + d \sin (ψ))}^{2} + {(d \cos (ψ) - b + c \sin (ψ))}^{2} + 4 z^{2}}}{2}$
und für die Seillängen ||L_2,4|| jeweils zwischen den Aufhängepunkten K₂ und C₂ sowie K ₄ und C ₄ $‖ L_{2, 4} ‖ = \frac{\sqrt{{(b - d \cos (ψ) + c \sin (ψ))}^{2} + {(c \cos (ψ) - a + d \sin (ψ))}^{2} + 4 z^{2}}}{2}$
Diese Vorschriften werden herangezogen, um ein Stellgesetz herzuleiten, über welches eine Änderung der Länge der Seile 4 zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt K_1-4 und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt C_1-4 mit Hilfe der Hydraulikzylinder 9 in eine resultierende Änderung des Drehwinkels ψ des Containers 5 umrechenbar ist.
Das Stellgesetz beschreibt folglich, wie die vier Seillängen jeweils zwischen den miteinander verbundenen Kranaufhängepunkten K_1-4 und Lastaufhängepunkten C_1-4 einzustellen sind, wenn ein bestimmter Skew-Winkel ψ gewünscht wird.
Für kleine Skew-Winkel ψ kann die Beziehung linearisiert werden. Es ergibt sich ein Proportionalitäts-Faktor zwischen Längenänderung und Skew-Winkeländerung: ${\frac{\partial L_{1}}{\partial ψ} |}_{0} = \frac{ad - bc}{2 \sqrt{4 z^{2} + {(a - c)}^{2} + {(b - d)}^{2}}} = : \frac{1}{α}$
Für die gegebene geometrische Lastaufhängung gibt es einen maximal erreichbaren Skew-Winkel.
Aus einfachen geometrischen Überlegungen kann der maximale Skew-Winkel ψ _grenz ermittelt werden als: $ψ_{grenz} = \arctan (\frac{b}{a}) - \arctan (\frac{d}{c})$
Für a = 2,3 m, c = 1,0 m und b = d = 5,4 m ergibt sich ein maximal erreichbarer Skew-Winkel von ψ_grenz= 12,58°.
Die Skew-Bewegung in positiver Drehrichtung wird durch die Seile 4, welche die Aufhängepunkte K₁ und C₁ sowie K₃ und C₃ verbinden beschränkt, während die Skew-Bewegung in negativer Drehrichtung durch die Seile 4 begrenzt wird, welche die Aufhängepunkte K₂ und C₂ sowie K₄ und C₄ verbinden. Der durch die geometrische Anordnung maximal erreichbare Skew-Winkel ψ _grenz erfordert einen Stellweg der Hydraulikzylinder 9 von 8,2 mm.
Mit dieser Erkenntnis aus den theoretischen Betrachtungen kann das hydraulische Stellsystem optimal ausgelegt werden und man kann im Vorfeld z.B. eine Überdimensionierung der Hydraulikzylinder 9 vermeiden.
Neben den geometrischen Zusammenhängen werden zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ferner die Bewegungsdifferentialgleichungen mit den bekannten Lagrange'schen Gleichungen herangezogen, um die Dynamik des Systems zu beschreiben: $Q = \frac{d}{dt} (\frac{\partial T}{\partial \dot{q}}) - \frac{\partial (T - V)}{\partial q} = M (q) \ddot{q} + C (q, \dot{q})$
mit der Massenmatrix M und einer allgemeinen nichtlinearen Funktion C.
Darin sind T die kinetische Energie $T = \frac{1}{2} m {\dot{z}}^{2} + \frac{1}{2} J_{ψ} {\dot{ψ}}^{2}$
V die potentielle Energie $V = mgz + \sum_{v = 1}^{4} \frac{1}{2} k_{Seil} {(L_{0} - L_{v})}^{2}$
und q der Vektor der generalisierten Koordinaten $q = [\begin{matrix} z \\ ψ \end{matrix}]$
Ferner ist m die Masse der Last, J_ψ das Trägheitsmoment des Containers 5 um seine Hochachse H (in der Ruhelage um die Z-Achse), durch welches die effektive Trägheit der Skew-Bewegung gegeben ist, g die Gravitationskonstante, z die Hubhöhe, k_seil die Steifigkeit eines Tragseiles, Lodie Längen der ungedehnten Seile 4 und L_v die Längen der gedehnten Seile 4.
Der Arbeitspunkt ist die Ruhelage des Containers 5, in welcher sich dieser unter Einwirkung der Gewichtskraft befindet. Es ist sowohl der Skew-Winkel ψ als auch die Skew-Winkel-Geschwindigkeit ψ̇ null (ψ = ψ̇ = 0) und die Seile 4 sind gegenüber der Länge L ₀ im ungedehnten Zustand gedehnt. Hier gilt: $0 = mg + 4 k_{Seil} z_{0} - \frac{8 k_{Seil} L_{0} z_{0}}{\sqrt{4 {z_{0}}^{2} + {(a - c)}^{2} + {(b - d)}^{2}}}$
Die Gleichgewichtsbedingung kann nur numerisch gelöst werden. Für kleine Skew-Winkel ψ kann jedoch eine Linearisierung im Arbeitspunkt durchgeführt werden. Man erhält: $Q = M \ddot{q} + Kq$
mit der Massenmatrix $M = [\begin{matrix} m & 0 \\ 0 & J_{ψ} \end{matrix}]$
und der Steifigkeitsmatrix $K = {\frac{\partial C (q, \dot{q})}{\partial q} |}_{0} = [\begin{matrix} k_{Z} & 0 \\ 0 & k_{ψ} \end{matrix}]$
Die Steifigkeit der Seile 4, die in der vertikalen Richtung (Z-Richtung in Figur 3) wirkt, ergibt sich für die Ruhelage zu: $k_{Z} = 4 k_{Seil} - k_{F ü hrung}$
$k_{Seil} = \frac{E A_{Seil}}{L_{0}}$
$k_{F ü hrung} = \frac{8 k_{Seil} L_{0}}{{(4 z^{2} + {(a - c)}^{2} + {(b - d)}^{2})}^{\frac{1}{2}}} - \frac{32 k_{Seil} L_{0} z^{2}}{{(4 z^{2} + {(a - c)}^{2} + {(b - d)}^{2})}^{\frac{3}{2}}}$
$k_{Z} = \frac{4 E A_{Seil}}{L_{0}} - (\frac{8 E A_{Seil}}{{(4 z^{2} + {(a - c)}^{2} + {(b - d)}^{2})}^{\frac{1}{2}}} - \frac{32 E A_{Seil} z^{2}}{{(4 z^{2} + {(a - c)}^{2} + {(b - d)}^{2})}^{\frac{3}{2}}})$

mit einem Steifigkeitsanteil k_Führung, der durch die schräge, also von einem vertikalen Verlauf abweichende Anordnung der Seilführung, die in Figur 3 gut erkennbar ist, entsteht. Die Steifigkeit k_z entspricht, wie der obersten der vorstehenden vier Gleichungen entnommen werden kann, viermal der Steifigkeit der Seile k_seil vermindert um den Steifigkeitsanteil k_führung. In den vorgenannten Gleichungen ist E das Elastizitätsmodul der Seile und A_Seil die effektive Querschnittsfläche der Seile.
Für den Fall, dass die Seilführung gerade verläuft (gS), also a=c und b=d gilt, muss der Steifigkeitsverlust durch die Seilführung k_Fünrung Null werden: $k_{F ü hrung, gS} = \frac{8 E A_{Seil}}{{(4 z^{2})}^{\frac{1}{2}}} - \frac{32 E A_{Seil} z^{2}}{{(4 z^{2})}^{\frac{3}{2}}}$
$k_{F ü hrung, gS} = \frac{8 E A_{Seil}}{2 z} - \frac{32 E A_{Seil} z^{2}}{8 z^{3}}$
$k_{F ü hrung, gS} = 0$
Die effektive Skew-Steifigkeit k _ψ , die anschaulich interpretiert ein Maß für das Rückstellmoment beschreibt, wenn der Container 5 aus seiner Ruhelage heraus um seine Hochachse H verdreht wird, also eine Skew-Bewegung ausführt, berechnet sich für den Fall der Ruhelage wie folgt: $k_{ψ} = k_{Seil} \frac{Term 2}{Term 1} - 2 k_{Seil} \frac{(L_{0} - {(Term 1)}^{\frac{1}{2}}) (\frac{c (a - c)}{2} + \frac{d (b - d)}{2} + \frac{c^{2}}{2} + \frac{d^{2}}{2})}{{(Term 1)}^{\frac{1}{2}}} + k_{Seil} \frac{(L_{0} - {(Term 1)}^{\frac{1}{2}}) \cdot Term 2}{{(Term 1)}^{\frac{3}{2}}}$
mit $Term 1 = z^{2} + \frac{{(a - c)}^{2}}{4} + \frac{{(b - d)}^{2}}{4}$
$Term 2 = {(\frac{d (a - c)}{2} + \frac{c (b - d)}{2})}^{52}$
Bei gerader Seilführung, wo a=c und b=d gilt, vereinfacht sich die effektive Skew-Steifigkeit kψ zu: $Term 1 = z^{2}; Term 2 = 0$
$k_{ψ, gS} = k_{Seil} \frac{0}{Z^{2}} - 2 k_{Seil} \frac{(L_{0} - {(z^{2})}^{\frac{1}{2}}) (\frac{c^{2}}{2} + \frac{d^{2}}{2})}{{(z^{2})}^{\frac{1}{2}}} + k_{Seil} \frac{(L_{0} - {(z^{2})}^{\frac{1}{2}}) \cdot 0}{{(z^{2})}^{\frac{3}{2}}}$
$k_{ψ, gS} = - 2 k_{Seil} \cdot \frac{(L_{0} - z) (\frac{c^{2}}{2} + \frac{d^{2}}{2})}{z}$
$k_{ψ, gS} = k_{Seil} \cdot \frac{(z - L_{0})}{z} (c^{2} + d^{2})$
Mittels der effektiven Skew-Steifigkeit k _ψ , die nur numerisch berechnet werden kann, kann die Eigenkreisfrequenz der Skew-Schwingung direkt bestimmt werden zu: $ω_{skew} = \sqrt{\frac{k_{ψ}}{J_{ψ}}}$
Die effektive Trägheit J _ψ der Skew-Bewegung, die durch das Trägheitsmoment des Containers 5 um die Z-Achse gegeben ist kann in an sich bekannter Weise berechnet werden. Zur Berechnung der effektiven Trägheit J _ψ werden die Geometrie des Containers 5 und dessen Massenverteilung erfasst, und in der Recheneinrichtung abgelegt. Alternativ kann die Erfassung der für die Berechnung der effektiven Trägheit erforderlichen Größen auch automatisiert erfolgen z.B. mehrfach in vorgegebenen Zeitabständen, so dass diese - auch bei einem Containerwechsel stets zur Verfügung stehen.
Die Beschreibung der Skew-Bewegung der Last sowie die Regelung bzw. Steuerung der Skew-Bewegung erfolgt in Analogie zum einfachen Torsionsschwinger.
Man erhält im Skew-System: $0 = J_{ψ} \ddot{ψ} + k_{ψ} (ψ - ψ_{stell})$
$0 = J_{ψ} \ddot{ψ} + k_{ψ} (ψ - ψ_{pos}) + k_{ψ} \dot{ψ}$
$ψ_{stell} = ψ_{pos} - ψ_{damp} = ψ_{pos} - \frac{d_{ψ}}{k_{ψ}} \dot{ψ}$
$ψ_{damp} = \frac{d_{ψ}}{k_{ψ}} \dot{ψ} = \frac{2 D}{ω_{ψ}} \dot{ψ} mit ω_{ψ} = \sqrt{\frac{k_{ψ}}{J_{ψ}}}$
ω_ψist die Eigenkreisfrequenz des Skew-Systems, D ist die prozentuale Dämpfung, mit der das Skew-System gedämpft werden soll. Daraus ergibt sich die physikalische Dämpfung d_ψ, die aufgrund der Regelung tatsächlich auf das System wirkt.
Hierbei ist ψ _Stell die Größe, die erfindungsgemäß als Winkelstellsignal berechnet wird.
ψ _Stell umfasst zwei Komponenten, nämlich eine erste Komponente, die durch eine Sollgröße ψ _pos zur Positionierung des Containers 5 gegeben ist und eine zweite Komponente, die durch eine Regelgröße ψ _damp zur Beeinflussung, vorliegend einer Dämpfung, der Skew-Bewegung des Containers 5 gegeben ist: $ψ_{stell} = ψ_{pos} - ψ_{damp}$
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die erfindungsgemäße Beeinflussung der Drehbewegung des Containers 5 im Rahmen einer vollständigen Zustandsregelung, welche eine gewichtete Rückführung der beiden Zustände Skew-Winkel ψ und Skew-Winkel-Geschwindigkeit ψ̇ ermöglicht. Dazu werden zwei Parameter r₁ und r₂ verwendet, mit denen die Dynamik des Systems in weiten Bereichen, vorliegend durch Polzuweisung, eingestellt werden kann.
Im Rahmen des in Figur 5 dargestellten Schrittes S2 wird ψ_damp durch folgende Regelungsvorschrift gebildet: $ψ_{damp} = r_{1} ψ_{beo} + r_{2} {\dot{ψ}}_{beo}$
ψ _pos wird als Sollgröße vorgegeben, die mittels des in Figur 5 dargestellten Hochlaufgebers 14 durch Integration einer gegebenen Drehwinkelgeschwindigkeit ψ̇ _pos gebildet wird, so dass ein stetiger Verlauf der Sollgröße ψ_pos zur Positionierung des Containers 5 gegeben ist.
Soll wie vorliegend lediglich eine Dämpfung der Skew-Bewegung erzielt werden, haben die Parameter die Form $\begin{matrix} r_{1} = 0 & r_{2} = \frac{2 D_{skew}}{ω_{ψ}} \end{matrix}$
In Schritt S3 wird die Größe ψ _stell auf den infolge der konkreten Geometrie der Lastaufhängung, wie oben dargelegt, maximal möglichen Wert ψ _stellgr begrenzt.
In Schritt S4 wird schließlich unter Heranziehung des oben beschriebenen Proportionalitäts-Faktors 1/α zwischen Längenänderung und Skew-Winkeländerung aus der Größe ψ _stell ein Sollwert ΔL _soll für die Hydraulikzylinder 9 ausgerechnet. Konkret werden die vier Sollgroßen für Hydraulikzylinder 9 betragsmäßig gleich gebildet. Die Vorzeichen (Richtung der Verstellung) sind für die seilartigen Befestigungsmittel, die die Aufhängepunkte C₁ mit K₁ sowie C₃ mit K₃ verbinden, entgegengesetzt zu denen, die die Aufhängepunkte C₂ mit K₂ und C₄ mit K₄ verbinden.
Die berechneten Sollwerte ΔL_soll für die Hydraulikzylinder 9 werden anschließend an die Steuerungseinrichtung 13 übergeben, welche die vier mit der Steuerungseinrichtung 13 verbundenen Hydraulikzylinder 9 in an sich bekannter Weise auf die Sollwerte regelt. Die Steuerungseinrichtung 13 umfasst für jeden der vier Hydraulikzylinder 9 ein Modul (in der Figur5 nicht dargestellt), welches die Regelung des jeweiligen Hydraulikzylinders 9 auf den Sollwert durchführt.
Konkret wird der Lageregelkreis z.B. über einen konventionellen Proportionalregler geschlossen, der ein Stellsignal an ein Hydraulikventil übergibt, welches den Ölstrom des Zylinders einstellt und damit die Längenänderung erzeugt.
Die Istwerte ΔList der Hydraulikzylinder 9 stellen sich infolge der Regelung der Hydraulikzylinder 9 auf die erfindungsgemäß berechneten Sollwerte ΔL_soll ein, wie in Figur 5 angedeutet. Über die Seilaufhängung 15 (in Figur 5 nur exemplarisch dargestellt) stellt sich ein Drehwinkel-Ist-Wert ψ_ist sowie eine Drehwinkel-Ist-Geschwindigkeit ψ̇ ein, die erneut mittels der optischen Erfassungseinrichtung 11 gemessen werden.
Durch die zuvor erfindungsgemäß beschriebene Regelung werden insbesondere Ungenauigkeiten, welche in Folge der Linearisierung der oben beschriebenen Gleichungen entstehen können, problemlos ausgeglichen.
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Ergebnis die Skew-Bewegung des Containers 5 beeinflusst, bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel konkret gedämpft, und es kann ein sicherer Betrieb des Kranes 1 gewährleistet werden.
Darüber hinaus wird es durch die vorstehend ermittelten Zusammenhänge, insbesondere den Zusammenhang zwischen der Änderung der Länge der Seile zwischen den Aufhängepunkten und der daraus resultierenden Änderung des Skew-Winkels der Last, möglich, eine Simulation des Systems aus seilgeführtem Container 5, der Skew-Bewegungen unterliegt, durchzuführen. Eine derartige Simulation kann z.B. erfindungsgemäß im Vorfeld einer Inbetriebnahme eines Krans durchgeführt werden, um die Dynamik des gegebenen Systems zu untersuchen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Beeinflussung einer Bewegung einer an einem Kran (1) aufgenommenen Last (5), wobei die Last (5) über seilartige Befestigungsmittel (4) derart an dem Kran (1) aufgehängt ist, dass jeweils einer von zumindest vier an dem Kran vorgesehenen Kranaufhängepunkten (K₁, K₂, K₃, K₄) mit einem von zumindest vier an der Last (5) oder an einem Lastaufnahmemittel (6) vorgesehenen Lastaufhängepunkten (C₁, C₂, C₃, C₄) über zumindest ein seilartiges Befestigungsmittel (4) verbunden ist, und wobei die seilartigen Befestigungsmittel (4) mit Verstelleinrichtungen (9) verbunden sind, über welche die Länge der seilartigen Befestigungsmittel (4) zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt (K₁, K₂, K₃, K₄) und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt (C₁, C₂, C₃, C₄) individuell veränderbar ist, und wobei an dem Kran (1) eine insbesondere optische Erfassungseinrichtung (11) vorgesehen ist, über welche ein Drehwinkel (ψ) der Last und/oder zumindest eine der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels (ψ) erfasst werden kann, wenn die Last (5) eine Drehbewegung um eine Hochachse (H) ausführt, bei dem
• mittels der Erfassungseinrichtung (11) der Drehwinkel (ψ) und/oder zumindest eine der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels (ψ) der Last (5) erfasst wird,

• auf Basis des erfassten Drehwinkels (ψ) und/oder der zeitlichen Ableitungen und unter Verwendung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Drehbewegung der Last (5) sowie unter Berücksichtigung der Geometrie der Lastaufhängung Sollwerte für die Verstelleinrichtungen (9) berechnet werden, und

• die Verstelleinrichtungen (9) jeweils auf den berechneten Sollwert gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass eine effektive Trägheit der Drehbewegung der Last (5) und
eine effektive Steifigkeit der Drehbewegung der Last (5) berechnet werden und
aus der berechneten effektiven Trägheit und der berechneten effektiven Steifigkeit eine Eigenkreisfrequenz der Drehbewegung der Last (5) berechnet und bei der Berechnung der Sollwerte für die Verstelleinrichtungen (9) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels des verwendeten mathematischen Modells die zu dämpfende Drehbewegung der Last (5) in Analogie zu einem einfachen Torsionsschwinger berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellgesetz hergeleitet und verwendet wird, über welches eine Änderung der Länge der seilartigen Befestigungsmittel (4) zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt (K₁, K₂, K₃, K₄) und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt (C₁, C₂, C₃, C₄) mit Hilfe der Verstelleinrichtungen (9) in eine resultierende Änderung eines Drehwinkels (ψ) der Last (5) umrechenbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkelstellsignal ermittelt und bei der Berechnung der Sollwerte für die Verstelleinrichtungen (9) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelstellsignal mindestens zwei Komponenten umfasst, insbesondere eine erste Komponente, die durch eine Sollgröße zur Positionierung der Last (5) gegeben ist und eine zweite Komponente, die durch eine Regelgröße zur Beeinflussung der Drehbewegung der Last (5) gegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Komponente des Winkelstellsignals ermittelt wird, über die eine vorgegebene Position der Last (5), insbesondere eine Nullposition der Last (5), einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Komponente des Winkelstellsignals ermittelt wird, über die eine Dämpfung der Drehbewegung der Last (5) in vorgegebenem Maße erzielbar ist und/oder die Eigenkreisfrequenz der Drehbewegung der Last (5) auf einen vorgegebenen Wert einstellbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Geometrie der Lastaufhängung und/oder den Eigenschaften der Verstelleinrichtungen (9) abhängiger Maximalwert für das Winkelstellsignal berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der seilartigen Befestigungsmittel (4) und/oder die Masse der Last (5) und/oder die Masse eines an der Last (5) vorgesehenen Lastaufnahmemittels (6) und/oder das Trägheitsmoment der Last (5) und/oder das Trägheitsmoment des Lastaufnahmemittels (6) und/oder die Hubhöhe der Last (5) bestimmt und bei der Berechnung der Sollwerte für die Verstelleinrichtungen (9) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der seilartigen Befestigungsmittel (4) und/oder die Masse der Last (5) und/oder die Masse eines an der Last (5) vorgesehenen Lastaufnahmemittels (6) und/oder das Trägheitsmoment der Last (5) und/oder das Trägheitsmoment des Lastaufnahmemittels (6) und/oder die Hubhöhe der Last (5) einmalig, insbesondere durch einen Anwender, oder mehrfach, insbesondere in vorgegebenen Zeitabständen, mittels geeigneter Sensoren bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Berechnung der Sollwerte für die Verstelleinrichtungen (9) wenigstens ein regelungstechnisches Beobachtermodell verwendet wird, mit dem insbesondere der Drehwinkel (ψ) und/oder zumindest eine der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels (ψ) beobachtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass vier Kranaufhängepunkte (K₁, K₂, K₃, K₄) und vier Lastaufhängepunkte (C₁, C₂, C₃, C₄) vorgesehen sind, von denen jeweils ein Rechteck aufgespannt wird und insbesondere die beiden Rechtecke nicht zueinander ähnlich, insbesondere nicht gleich sind.
Kran (1) zum Umschlagen einer Last (5), die über seilartige Befestigungsmittel (4) derart an dem Kran (1) aufgehängt ist, dass jeweils einer von zumindest vier an dem Kran (1) vorgesehenen Kranaufhängepunkten (K₁, K₂, K₃, K₄) mit einem von zumindest vier an der Last (5) oder an einem Lastaufnahmemittel (6) vorgesehenen Lastaufhängepunkten (C₁, C₂, C₃, C₄) über zumindest ein seilartiges Befestigungsmittel (4) verbunden ist, und wobei die seilartigen Befestigungsmittel (4) mit Verstelleinrichtungen (9) verbunden sind, über welche die Länge der seilartigen Befestigungsmittel (4) zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt (K₁, K₂, K₃, K₄) und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt (C₁, C₂, C₃, C₄) individuell veränderbar ist, und wobei an dem Kran (1) eine insbesondere optische Erfassungseinrichtung (11), über welche ein Drehwinkel (ψ) der Last und/oder zumindest eine der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels (ψ) erfasst werden kann, wenn die Last (5) eine Drehbewegung um eine Hochachse (H) ausführt, vorgesehen ist, und der Kran (1) eine Recheneinrichtung (12) aufweist, die ausgebildet ist, um unter Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 Sollwerte für die Verstelleinrichtungen (9) zu berechnen und eine Steuerungseinrichtung (13), die ausgebildet ist, um die Verstelleinrichtungen (9) auf die Sollwerte zu steuern, aufweist.
Kran nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufkatze (3) vorgesehen ist, die entlang eines Auslegers (2) des Krans (1) mittels einer Laufkatzenantriebseinrichtung linear bewegbar ist und die wenigstens vier Kranaufhängepunkte (K₁, K₂, K₃, K₄) an der Laufkatze (3) vorgesehen sind.
Kran nach einem der Ansprüche 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die seilartigen Befestigungsmittel (4) zwischen dem jeweiligen Kranaufhängepunkt (K₁, K₂, K₃, K₄) und dem mit diesem verbundenen Lastaufhängepunkt (C₁, C₂, C₃, C₄) schräg zur Vertikalen verlaufen.