EP2920102B1 - Lastdrehkreisel - Google Patents

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EP2920102B1
EP2920102B1 EP13802899.8A EP13802899A EP2920102B1 EP 2920102 B1 EP2920102 B1 EP 2920102B1 EP 13802899 A EP13802899 A EP 13802899A EP 2920102 B1 EP2920102 B1 EP 2920102B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotating device
motor
load
rotation
rotation body
Prior art date
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Active
Application number
EP13802899.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2920102A1 (de
Inventor
Sebastian Repetzki
Christian FÖGER
Ronald Stärz
Peter Wimmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MCI MANAGEMENT CENTER INNSBRUCK
Original Assignee
Mci Management Center Innsbruck
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mci Management Center Innsbruck filed Critical Mci Management Center Innsbruck
Publication of EP2920102A1 publication Critical patent/EP2920102A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2920102B1 publication Critical patent/EP2920102B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/08—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions
    • B66C13/085—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions electrical

Definitions

  • the present invention relates to a rotary device and a method for rotating an article suspended on a suspension, in particular a load suspended from a crane.
  • the rotating device is equipped with a motor for rotating the suspended object, the electrical energy for operating the motor being stored in the rotating device itself, preferably in accumulators, thereby providing an easy-to-use rotating device.
  • Loads suspended on a rope change their orientation due to minute disturbances, e.g. by air movements, twisting of the rope, contact with other objects or momentum exchange inside the load. Especially during weaning or picking up, an unpredictably rotating load can cause considerable damage. To avoid this in the operation of cranes, more ropes are often attached to the load on which people must pull by using their physical strength to orient the load. This tedious and dangerous step is not only costly, but also error prone. The time required for this is also hardly reducible, since human factors such as height and communication are decisive for this.
  • a flywheel used on the principle of angular momentum conservation for orientation of crane loads was already proposed in 1963 by L. Lawton (see for example US 3,210,114 ). In it, the rotational energy is supplied via cable from the crane.
  • the flywheel is designed as a disc-shaped solid.
  • the drive motor is housed in a frame which is attached to the load.
  • the invention generally relates to a device and a method for orienting rotatable, in particular hanging on a rope crane loads by means of the conservation law for the angular momentum.
  • the device according to the invention hereinafter also referred to as a rotary device or load rotary gyroscope, comprises an energy store, preferably a regenerable energy store, a motor, and preferably a purely mechanical connection to the load.
  • the invention is advantageous in that therefore preferably one, two or all of the three problems mentioned above, namely (i) power cables; (ii) increase in the burden and (iii) lack of controllability can be overcome.
  • the first problem is solved; no external power cables are needed.
  • the use of heavy accumulators can aggravate the second problem as the accumulator mass further reduces the carrying capacity of the crane.
  • the accumulators are preferably placed on the outer edge of the flywheel to provide with their mass preferably the largest possible contribution to the moment of inertia of the flywheel.
  • the motor housing or a flange of the motor housing is advantageously also attached to the flywheel.
  • a part of the engine for example, the motor housing and / or a flange of the motor housing is fixedly connected to the flywheel, so that the motor housing and / or the flange form part of the flywheel.
  • parts of the engine preferably high-mass parts of the engine, contribute to the mass moment of inertia of the flywheel.
  • the motor shaft is in a rotationally fixed connection with the load and has no contribution to the mass moment of inertia of the flywheel.
  • the inventive arrangement of accumulators and motor creates an active flywheel, which can be configured so that the stored energy is sufficient for a desired number of load orientations by the operator of the device.
  • the skilled person will quickly realize that the spin of the flywheel Energy required when decelerating to a great extent as braking energy accumulates. If the motor is operated as a generator, this energy can be partially converted back into electrical energy and optionally stored.
  • the mass moment of inertia of the flywheel should be as large as possible relative to that of the load, but the mass of the flywheel should be as small as possible with respect to the load.
  • mechanical friction, wind and shocks change the total angular momentum of load and flywheel.
  • the rotation of the flywheel itself causes torques due to air friction.
  • the moment of inertia of a load is often not experienced by the crane operator, e.g. when containers are handled with changing loads.
  • an operating element is provided for operating the load rotary gyroscope, wherein the operating element is preferably realized in such a way that a rotational rate for the load can be predetermined.
  • the control element for controlling the load rotary gyroscope includes a rotation rate controller, which controls the torque of the load rotary gyro drive so that the deviation between the rotation rate specification of the crane operator and the absolute rotation rate of the load is minimal.
  • the rate of rotation default preferably covers a range of values from negative to positive, where the rate of rotation equals zero to a load that does not rotate relative to its environment.
  • the controller preferably monitors at least one of the following components or states and initiates - if necessary - securing or extending the operating time measures: 1. integrity of the energy storage, the motor, the controller, the electronics , the software, the Control element and the data connection; 2. Mechanical integrity and residual imbalance of the load rotary gyroscope.
  • unbalance is present when the mechanical axis of rotation of the load rotary gyroscope does not pass through the center of gravity and not through one of the main axes of inertia of the flywheel.
  • Imbalances arise in particular when parts of the flywheel mass are changed in their position. These can be internal displacements, e.g. of cables, or changes in shape due to external influences.
  • the occurrence of impermissible imbalances is not visible to the observer from the outside, but leads to mechanical stresses that can endanger the integrity of the flywheel. To avoid the dangers caused by imbalances, they should preferably be continuously measured and preferably monitored.
  • Additional, motor-driven masses within the load rotary gyroscope can also make it possible to reduce imbalances.
  • a corresponding controller in the control panel can be provided, whereupon the position of the additional masses is changed with knowledge of the flywheel speed, the motor rotation angle and the height of the measured imbalance, so that the residual imbalance is minimal.
  • a rotating device for rotating a load suspended on a suspension, wherein the rotating device is attachable to the suspension.
  • This preferably includes at least one motor, preferably an electric motor, the motor shaft in the suspended state is substantially vertical (vertical) aligned and rotatably connected to the load, wherein the motor housing with a rotatable rotary body (flywheel) is fixedly connected, preferably non-rotatably with the Rotary body or the flywheel is connected.
  • the rotational body is fixedly connected to an energy store, and the axis of the motor shaft substantially coincides with a main axis of inertia of the rotational body / flywheel, whereby a rotational movement of the rotational body / flywheel is achieved without imbalance.
  • the rotational body can be subdivided into an inner area and an outer area with respect to its radial extent R, wherein according to the invention the outer area is defined with respect to the axis of rotation as the sum of all volume elements which have at least a distance 2/3 R to the axis, preferably at least 3 / 4R.
  • the outer area is defined with respect to the axis of rotation as the sum of all volume elements which have at least a distance 2/3 R to the axis, preferably at least 3 / 4R.
  • at least 60% of the mass of the energy storage and / or the total mass of the flywheel are housed in this outdoor area.
  • at least 70%, preferably at least 80%, preferably at least 90% of the mass of the energy store is mounted in the outer area.
  • the at least one energy store is at least one element from the group consisting of battery, accumulator and capacitor.
  • this energy store is used to operate the at least one motor.
  • the motor shaft with the object / load preferably via a connecting element, rotatably connected and / or the motor housing rotatably connected to the rotating body.
  • the motor can also be operated as a generator, wherein a relative movement between the motor housing and motor shaft then generates electricity.
  • This generated current can be stored at least partially in the at least one energy store.
  • the load rotary gyroscope according to the invention may also preferably with at least one sensor for detecting a rate of rotation / rotational speed of the rotary body and / or for detecting a rate of rotation / rotational speed of the load rotary gyro itself or for detecting a rate of rotation / rotational speed of the motor housing and / or the suspended load relative to the environment be provided.
  • the load rotary gyroscope according to the invention can also have at least one movable additional mass whose position relative to the flywheel is variable in order to change the moment of inertia of the flywheel or the main axis of inertia of the flywheel. This can be done either manually or with the help of an actuator.
  • the at least one movable additional mass may be movable, for example, on a circular path about the axis of the flywheel / body of revolution, and / or be movable radially to the axis of the body of revolution.
  • the load rotary gyroscope according to the invention can be provided with at least one additional sensor for detecting and / or measuring an imbalance of the rotary body.
  • the load rotating gyroscope according to the invention also has a compensation device, with at least one movable additional mass, wherein a Movement of this additional mass (37) can compensate for an imbalance.
  • the at least one movable additional mass can be movable as a function of the rotational rate of the rotational body. This can be done via a direct control of a user or automatically as a function of at least one sensor signal.
  • a system with an operating element for controlling the load rotary gyroscope is also provided according to the invention.
  • a rate of rotation of the suspended load can be regulated.
  • the operating element is adapted to inform a user of the operating element about the current rate of rotation of the article / load and / or the rotational body.
  • the motor can be controlled manually or automatically so as to compensate for this detected rate of rotation of the object in relation to the environment.
  • a circuit in the control element by driving the motor may be present to automatically compensate for the detected rotation rate.
  • the present invention also relates to a method for rotating a suspended object (a load) by means of a device according to the invention comprising the steps of: i) driving the motor by energy from the at least one energy store and / or braking a self-rotating movement of the suspended object with the aid of Motors, wherein the self-rotating motion induces a voltage in the motor, ie the engine is used as a generator.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention.
  • a hanging on a rope hook hook 11 11 is equipped with a thrust bearing 12 for receiving a crane hook 13, which allows the crane hook an unlimited number of rotations about the vertical / vertical hook axis 14 at a comparatively low torque.
  • the direction indication is used vertically or vertically with respect to the gravitational force of the earth.
  • About more slings 15 such as chains, ropes or straps is an object, here a load 16, 17 attached to the crane hook 13 hanging.
  • the load may, for example, the load-receiving means 16 and the payload 17 have.
  • a load rotary gyro 21 is attached to the load receiving means 16.
  • FIG. 2 schematically shows an inventive control element 18 for controlling the rotating device according to the invention.
  • the control element 18 comprises a rotary knob, with which the crane operator can specify a rate of rotation of the load with respect to the fixed environment.
  • the operating principle of the rotary device 1 according to the invention is based on the set of angular momentum conservation, which in the Fig. 1 can be applied to the totality of all components, which are mounted on the thrust bearing 12 (the pivot bearing of the crane) hanging and have moments of inertia with respect to its axis of rotation (dash-dotted lines shown as axis 14).
  • the angular momentum conservation law states that the total angular momentum of these components remains constant as long as no external moments are applied.
  • the load rotary gyroscope 21 (more precisely: the rotary body or the flywheel) is rotated by internal energy sources and drives (see arrow 22), then due to the set of angular momentum conservation, all other components hanging from the axial bearing 12 must be in the opposite direction 23 set in rotation.
  • the plane of rotation of the flywheel is preferably oriented substantially horizontally.
  • FIG. 3 shows a further preferred embodiment of a rotating device according to the invention (in the application also referred to as load rotary gyroscope) in a cross-sectional view.
  • the rotating device comprises a first connecting element for fixed connection to the load.
  • this first connecting element is a foot 31, which on the one hand with the load, on the other hand with the one Rotary bearing 32 is mechanically connected. Attached thereto is a preferably disk-shaped girder 33.
  • An electric motor 34 is installed so that the motor shaft coupled to the foot 31 and the motor housing on the gyro (flywheel / body of revolution) is attached.
  • the energy stores 35 are arranged essentially at the periphery (outer area A) of the gyro carrier.
  • the body of revolution can be logically divided into two separate (disjoint) regions with respect to its radial extent R, an inner region I and an outer region A (see FIG Fig. 3 ).
  • the outer area A is defined as the sum of all volume elements which have at least a distance 2/3 R to the axis 46.
  • the interior region I is defined as the region comprising volume elements which have a distance smaller than 2 / 3R to the axis.
  • the outer region A is the region in which all volume elements are contained, which have at least the distance 3/4 R to the axis.
  • the area not referred to as the exterior is called the interior area.
  • At least 60% of the mass of the energy storage and / or the total mass of the flywheel are housed in this outdoor area.
  • at least 70%, preferably at least 80%, preferably at least 90% of the mass of the energy store is mounted in the outer area.
  • centrifugal forces generated during rotation are preferably absorbed by an outer ring 36.
  • This ring also contributes advantageously to increase the mass moment of inertia of the load rotary gyroscope.
  • Movable additional masses 37 can optionally be moved by the controller for reducing imbalances.
  • a power electronics 41 transmits electrical energy in two directions: from the energy storage 35 to the electric motor 34 on the one hand and on the other hand from the electric motor 34, which is operated as a generator, back to the energy storage 35.
  • a controller 42 controls, controls and monitors these and all other processes in Last spinning top.
  • a housing 45 protects the components of the gyro against external influences such as moisture or mechanical damage.
  • An antenna 46 preferably carries out a wireless data exchange with the operating element.
  • FIG. 4 shows a further preferred embodiment of the rotating device according to the invention, wherein like reference numerals describe like parts.
  • the load bearing is designed as lifting harness 51, which is connected via stop means 52 (ropes, chains) with the payload 53 in connection, and the load rotation gyro can advantageously also be suspended suspended below the lifting harness.
  • the invention also includes the exact or exact terms, features, numerical values or ranges, etc. when, above or below, these terms, features, numerical values or ranges are used in conjunction with terms such as, for example. "about, about, essentially, in general, at least, at least”, etc., were called (ie, “about 3” should also “3” or “substantially radially” should also include “radial”).
  • the expression “or” means moreover “and / or”.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control And Safety Of Cranes (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehvorrichtung sowie ein Verfahren zum Drehen eines an einer Aufhängung aufgehängten Gegenstands, insbesondere eine an einem Kran hängende Last. Die Drehvorrichtung ist mit einem Motor zur Drehung des aufgehängten Gegenstandes ausgestattet, wobei die elektrische Energie zum Betreiben des Motors in der Drehvorrichtung selbst, vorzugsweise in Akkumulatoren, gespeichert wird, wodurch eine einfach zu verwendende Drehvorrichtung bereitgestellt wird.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Lasten, die an einem Seil hängend transportiert werden, ändern ihre Orientierung aufgrund kleinster Störungen, z.B. durch Luftbewegungen, Verwindungen des Seiles, Kontakt mit anderen Gegenständen oder Impulsaustausch im Inneren der Last. Besonders während des Absetzens oder Aufnehmens kann eine sich unvorhersehbar drehende Last erhebliche Schäden verursachen. Um dies beim Betrieb von Kranen zu vermeiden, werden häufig weitere Seile an der Last befestigt, an welchen Personen durch Einsatz ihrer Körperkraft ziehen müssen, um die Last zu orientieren. Dieser ermüdende und gefährliche Arbeitsschritt ist nicht nur kostenintensiv, sondern auch fehleranfällig. Die dafür benötigte Zeit ist auch kaum reduzierbar, da menschliche Faktoren wie Körpergröße und Kommunikation hierzu ausschlaggebend sind.
  • Es ist bereits bekannt, Drehkreisel mit einem Schwungrad einzusetzen, um die Orientierung drehbarer Lasten gezielt zu beeinflussen. Derartige Drehkreisel haben einen Motor der so angebracht ist, dass ein vom Motor erzeugtes Drehmoment die Last in eine Drehrichtung dreht, die entgegen der Drehrichtung des vom Motor angetriebenen Schwungrades ist, wodurch die Last in die gewünschte Orientierung in vorhersehbarer Zeit gedreht werden kann. Durch Abbremsen der Relativdrehung von Last und Schwungrad kommen beide Körper wieder nahezu zum Stillstand.
  • Es wurde vorliegend jedoch folgende Probleme erkannt, die einer praktischen Umsetzbarkeit des oben genannten Prinzips entgegenstehen. Erfolgt die Zufuhr von Beschleunigungsenergie über Kabel, die vom Kran zur Last führen, besteht die Gefahr des Verdrillens von Kabel und/oder Seil, was ihre gegenseitige Beschädigung zu Folge haben kann. Das Gewicht des Schwungrads und die zu seinem Antrieb erforderlichen Bauteile vermindern durch ihr Eigengewicht die nutzbare Tragfähigkeit des Krans. Ferner verbrauchen das Heben und Beschleunigen dieser Massen zusätzliche Investitions- und Energiekosten. Durch kleine Störungen verursacht kommt die Last bei vollständigem Abbremsen des Schwungrades nicht wieder exakt zum Stillstand. Die übrigen Bewegungsarten eines Krans sind dagegen so gestaltet, dass ein Abstellen ihres Antriebs verlässlich zum Stillstand der Bewegung führt. Die Lastorientierung durch Schwungräder erfordert damit eine intensivere Ausbildung und höhere Aufmerksamkeit der Kranführer, um einen sicheren Kranbetrieb zu gewährleisten.
  • Ein nach dem Prinzip der Drehimpulserhaltung zur Orientierung von Kranlasten eingesetztes Schwungrad wurde bereits 1963 von L. Lawton vorgeschlagen (siehe beispielsweise US 3,210,114 ). Darin wird die Rotationsenergie über Kabel vom Kran her zugeführt. Das Schwungrad ist als ein scheibenförmiger Festkörper ausgeführt. Der Antriebsmotor ist in einem Gestell untergebracht, welcher an der Last befestigt wird.
  • Die Patentschrift US 3,498,476 führt Bremsen und ein zweites Schwungrad ein, um das Drehmoment zu vergrößern, welches die Last in Drehung versetzt.
  • Im Patent US 5,871,249 wird je ein Doppelschwungrad in den drei Hauptachsenrichtungen vorgeschlagen, um Lasten in allen 3 rotatorischen Freiheitsgraden zu orientieren. Der vorgeschlagene Anwendungsbereich der Erfindung liegt beim Stabilisieren von Lasten an Rettungshubschraubern.
  • Die unter WO 94/11294 veröffentlichte Erfindung nutzt Kreiseleffekte anstelle des Beschleunigungsmoments zur Erzeugung von Drehmomenten auf hängende Lasten.
  • In der Patentanmeldung GB 2 467 149 wird eine Anordnung beschrieben, welche ein Schwungrad zur Orientierung von Lasten um die Hochachse enthält.
  • Zudem wurden die Druckschriften DE 25 15 178 A1 , DE 32 34 395 A1 , GB 993,269 A und US 4,612,494 A bekannt, die sich mit Dreheinrichtungen für Krane beschäftigen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine alternative bzw. verbesserte Drehvorrichtung mit einem entsprechenden Verfahren bereitzustellen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die unabhängigen Vorrichtungs- bzw. Verfahrensansprüche bzw. die unten diskutierten Aspekte gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen der Erfindung.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft generell eine Einrichtung sowie ein Verfahren zum Orientieren drehbarer, insbesondere an einem Seil hängender Kranlasten mittels des Erhaltungssatzes für den Drehimpuls. Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung, im Folgenden auch als Drehvorrichtung oder Lastdrehkreisel bezeichnet, einen Energiespeicher, vorzugsweise einen regenerierbaren Energiespeicher, einen Motor, und vorzugsweise eine rein mechanische Verbindung zur Last. Die Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, dass damit vorzugsweise eines, zwei oder alle der drei oben genannten Probleme, nämlich (i) Energiekabel; (ii) Lasterhöhung und (iii) mangelnde Steuerbarkeit überwunden werden können.
  • Durch die Verwendung mobiler Energiespeicher die an der Vorrichtung selbst angebracht sind, beispielsweise durch die Verwendung von Akkumulatoren zur Energieversorgung zum Schwungradantrieb, wird das erste Problem gelöst; es werden keine externen Energiekabel benötigt. Die Verwendung schwerer Akkumulatoren kann jedoch das zweite Problem verschärfen, da die Akkumulatormasse die Tragkapazität des Kranes weiter vermindert. Der entscheidende Fortschritt entsteht dann, wenn Motor und Akkumulatoren im bzw. am drehenden Schwungrad angebracht werden. Die Akkumulatoren werden vorzugsweise am äußeren Rand des Schwungrades platziert, um mit ihrer Masse vorzugsweise den größtmöglichen Beitrag zum Massenträgheitsmoment des Schwungrades zu liefern. Das Motorgehäuse bzw. ein Flansch des Motorgehäuses wird vorteilhafterweise ebenfalls am Schwungsrad befestigt. Mit anderen Worten, erfindungsgemäß ist ein Teil des Motors, beispielsweise das Motorgehäuse und/oder ein Flansch des Motorgehäuses mit dem Schwungrad fest verbunden, so dass das Motorgehäuse und/oder der Flansch einen Teil des Schwungrades bilden. Mit dieser Anordnung kann beispielsweis erreicht werden, dass Teile des Motors, vorzugsweise massereiche Teile des Motors, einen Beitrag zum Massenträgheitsmoment des Schwungrades beitragen.
  • Erfindungsgemäß steht nur die Motorwelle mit der Last in drehfester Verbindung und besitzt keinen Beitrag zum Massenträgheitsmoment des Schwungrades.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Akkumulatoren und Motor entsteht ein aktives Schwungrad, welches so ausgestaltet werden kann, dass die gespeicherte Energie für eine vom Betreiber der Einrichtung gewünschte Anzahl Lastorientierungen ausreicht. Der Fachmann wird schnell erkennen, dass die zur Drehbeschleunigung des Schwungsrades benötigte Energie beim Verzögern in hohem Maße als Bremsenergie anfällt. Wird der Motor als Generator betrieben, kann diese Energie teilweise in elektrische Energie zurückgewandelt und optional gespeichert werden.
  • Ebenfalls ist dem Fachmann geläufig, dass die zur Drehbeschleunigung benötigte Energie vom Quadrat der Drehzahl abhängt. Zur Verminderung der bei jedem Beschleunigungs- und Verzögerungszyklus umgesetzten Energie sollte daher das Massenträgheitsmoment des Schwungrades gegenüber dem der Last möglichst groß sein, die Masse des Schwungrades jedoch bezüglich der Last möglichst klein. Zum einen verändern mechanische Reibung, Wind und Stöße den Gesamtdrehimpuls von Last und Schwungrad. Andererseits ruft auch die Drehung des Schwungrades selbst Drehmomente durch Luftreibung hervor. Erhöht sich zudem das Massenträgheitsmoment der Last, verringert sich die erreichbare Lastdrehrate bei gleicher Schwungraddrehrate. Das Massenträgheitsmoment einer Last ist aber vielfach für den Kranbediener nicht erfahrbar, z.B. wenn Container mit wechselnden Frachten umgeschlagen werden.
  • Dies alles bedeutet für den Kranbediener, dass er die Drehrate der Last kontinuierlich zu beobachten hat, um die für die gewünschte Orientierungsbewegung erforderliche Schwungraddrehrate nachzuregeln. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem beispielsweise durch den Einsatz mindestens eines Sensors, welcher die Drehrate der Last relativ zur feststehenden Umgebung erfasst. Erfindungsgemäß wird zur Bedienung des Lastdrehkreisels ein Bedienelement bereitgestellt, wobei das Bedienelement vorzugsweise so realisiert ist, dass damit eine Drehrate für die Last vorgegeben werden kann. Vorzugsweise enthält das Bedienelement zur Steuerung des Lastdrehkreisels einen Drehratenregler, der das Drehmoment des Lastdrehkreiselantriebs so regelt, dass die Abweichung zwischen der Drehratenvorgabe des Kranbedieners und der absoluten Drehrate der Last minimal wird. Die Drehratenvorgabe überdeckt vorzugsweise einen Wertebereich von negativen zu positiven Werten, wobei die Drehrate Null einer Last entspricht, welche sich relativ zu ihrer Umgebung nicht dreht.
  • Um einen sicheren und funktionsfähigen Zustand zu gewährleisten, überwacht die Steuerung vorzugsweise mindestens eine der folgenden Komponenten bzw. Zustände und leitet - falls nötig - sichernde bzw. die Betriebszeit verlängernde Maßnahmen ein: 1. Integrität der Energiespeicher, des Motors, der Steuerung, der Elektronik, der Software, des Bedienelements und der Datenverbindung; 2. Mechanische Integrität und Restunwucht des Lastdrehkreisels.
  • Insbesondere liegt Unwucht vor, wenn die mechanische Drehachse des Lastdrehkreisels nicht durch den Schwerpunkt und nicht durch eine der Hauptträgheitsachsen des Schwungrades verläuft. Unwuchten entstehen insbesondere, wenn Teile der Schwungradmasse in ihrer Lage verändert werden. Dies können innere Verschiebungen, z.B. von Kabeln, oder Formänderungen durch äußere Einwirkungen sein. Das Auftreten unzulässiger Unwuchten ist für den Beobachter von außen nicht zu ersehen, führt jedoch zu mechanischen Belastungen, die die Integrität des Schwungrades gefährden können. Zur Vermeidung der von Unwuchten verursachten Gefahren, sollen diese vorzugsweise kontinuierlich gemessen und vorzugsweise überwacht werden. Zusätzliche, motorisch bewegliche Massen innerhalb des Lastdrehkreisels können es zudem ermöglichen, Unwuchten abzubauen. Ein entsprechender Regler im Bedienteil kann bereitgestellt werden, woraufhin die Lage der Zusatzmassen unter Kenntnis der Schwungraddrehzahl, des Motordrehwinkels und der Höhe der gemessenen Unwucht verändert wird, sodass die Restunwucht minimal wird.
  • Die wesentlichen Merkmale der Erfindung werden in den folgenden Aspekten nochmals allgemein diskutiert.
  • Bereitgestellt wird eine Drehvorrichtung bzw. Lastdrehkreisel zum Drehen einer an einer Aufhängung aufgehängten Last, wobei die Drehvorrichtung an der Aufhängung anbringbar ist. Diese enthält vorzugsweise mindestens einen Motor, vorzugsweise einen Elektromotor, dessen Motorwelle im aufgehängten Zustand im Wesentlichen vertikal (senkrecht) ausgerichtet ist und mit der Last drehfest verbindbar ist, wobei das Motorgehäuse mit einem drehbaren Rotationskörper (Schwungrad) fest verbunden ist, vorzugsweise drehfest mit dem Rotationskörper bzw. dem Schwungrad verbunden ist. Erfindungsgemäß ist der Rotationskörper fest mit einem Energiespeicher verbunden, und die Achse der Motorwelle fällt im Wesentlichen mit einer Hauptträgheitsachse des Rotationskörpers/Schwungrades zusammen, wodurch eine Rotationsbewegung des Rotationskörpers/Schwungrades ohne Unwucht erreicht wird. Prinzipiell kann man den Rotationskörper bezüglich seiner radialen Ausdehnung R in einen Innenbereich und einen Außenbereich unterteilen, wobei erfindungsgemäß der Außenbereich - bezüglich der Rotationsachse - definiert ist, als die Summe aller Volumenelemente, die mindestens einen Abstand 2/3 R zur Achse aufweisen, vorzugsweise mindestens 3/4R. Erfindungsgemäß sind vorzugsweise mindestens 60% der Masse des Energiespeichers und/oder der Gesamtmasse des Schwungrades in diesem Außenbereich untergebracht. Vorzugsweise sind mindestens 70%, vorzugweise mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90% der Masse des Energiespeichers im Außenbereich angebracht.
  • Vorzugsweise ist der mindestens eine Energiespeicher zumindest ein Element aus der Gruppe bestehend aus Batterie, Akkumulator und Kondensator. Vorzugsweise dient dieser Energiespeicher zum Betreiben des mindestens einen Motors.
  • Erfindungsgemäß ist die Motorwelle mit dem Gegenstand/Last, vorzugsweise über ein Verbindungselement, drehfest verbindbar und/oder das Motorgehäuse mit dem Rotationskörper drehfest verbunden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Motor auch als Generator betrieben werden, wobei eine Relativbewegung zwischen Motorgehäuse und Motorwelle dann Strom erzeugt. Dieser erzeugte Strom kann in dem mindestens einen Energiespeicher zumindest teilweise gespeichert werden.
  • Der erfindungsgemäße Lastdrehkreisel kann zudem vorzugsweise mit mindestens einem Sensor zur Erfassung einer Drehrate/Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers und/oder zur Erfassung einer Drehrate/Drehgeschwindigkeit des Lastdrehkreisels an sich bzw. zur Erfassung einer Drehrate/Drehgeschwindigkeit des Motorgehäuses und/oder der aufgehängten Last relativ zur Umgebung versehen sein.
  • Der erfindungsgemäße Lastdrehkreisel kann zudem mindestens eine bewegliche Zusatzmasse aufweisen deren Lage bezüglich des Schwungrades veränderbar ist, um das Trägheitsmoment des Schwungrades bzw. die Hauptträgheitsachse des Schwungrades zu verändern. Dies kann entweder manuell oder mit Hilfe eines Aktors erfolgen. Die mindestens eine bewegliche Zusatzmasse kann beispielsweise auf einer Kreisbahn um die Achse des Schwungrades/Rotationskörpers bewegbar sein, und/oder radial zur Achse des Rotationskörpers bewegbar sein.
  • Auch kann der erfindungsgemäße Lastdrehkreisel mit mindestens einem zusätzlichen Sensor zur Detektion und/oder Messung einer Unwucht des Rotationskörpers versehen sein. Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Lastdrehkreisel auch eine Kompensationseinrichtung auf, mit mindestens einer beweglichen Zusatzmasse, wobei eine Bewegung dieser Zusatzmasse (37) eine Unwucht kompensieren kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die mindestens eine bewegliche Zusatzmasse in Abhängigkeit der Drehrate des Rotationskörpers bewegbar sein. Dies kann über eine direkte Ansteuerung eines Benutzers oder automatisch in Abhängigkeit mindestens eines Sensorsignals erfolgen.
  • Neben dem erfindungsgemäßen Lastdrehkreisel wird erfindungsgemäß auch ein System mit einem Bedienelement zum Ansteuern des Lastdrehkreisels bereitgestellt. Beispielsweise kann mit Hilfe des Bedienelements eine Drehrate der aufgehängten Last geregelt werden. Vorzugsweise ist das Bedienelement dazu angepasst, dass ein Benutzer des Bedienelements über die aktuelle Drehrate des/der Gegenstands/Last und/oder des Rotationskörpers informiert wird. Entsprechend kann der Motor manuell oder automatisch so angesteuert werden, um diese erfasste Drehrate des Gegenstands in Relation zur Umgebung zu kompensieren. Entsprechend kann eine Schaltung im Bedienelement durch Ansteuerung des Motors vorhanden sein, um die erfasste Drehrate automatisch zu kompensieren.
  • Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Drehen eines aufgehängten Gegenstands (einer Last) mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Schritten: i) Antreiben des Motors durch Energie aus dem mindestens einen Energiespeicher und/oder Abbremsen einer Eigendrehbewegung des aufgehängten Gegenstandes mit Hilfe des Motors, wobei die Eigendrehbewegung im Motor eine Spannung induziert, d.h. der Motor wird als Generator verwendet.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine typische Kranlast, die um einen Lastdrehkreisel zum Orientieren der Last ergänzt wurde;
    Fig. 2
    ein erfindungsgemäßes Bedienelement zur Steuerung eines erfindungsgemäßen Lastdrehkreisels;
    Fig. 3
    den schematischen Aufbau des Lastdrehkreisels im Schnitt; und
    Fig. 4
    eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines hängenden Lastdrehkreisels, welche für Hebegeschirre ohne feste Verbindung mit der Nutzlast geeignet ist.
    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Figur 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform. Eine an einem Seil 10 hängende Hakenflasche 11 ist mit einem Axiallager 12 zur Aufnahme eines Kranhakens 13 ausgestattet, welches dem Kranhaken eine unbegrenzte Anzahl Drehungen um die vertikale/senkrechte Hakenachse 14 bei vergleichsweise geringem Drehmoment erlaubt. Erfindungsgemäß wird die Richtungsangabe vertikal bzw. senkrecht in Bezug auf die Gravitationskraft der Erde verwendet. Über weitere Anschlagmittel 15 wie Ketten, Seile oder Riemen ist ein Gegenstand, hier eine Last 16, 17 hängend am Kranhaken 13 befestigt. Die Last kann beispielsweise das Lastaufnahmemittel 16 und die Nutzlast 17 aufweisen. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Lastdrehkreisel 21 am Lastaufnahmemittel 16 befestigt.
  • Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Bedienelement 18 zur Steuerung der erfindungsgemäßen Drehvorrichtung. Vorzugweise umfasst das Bedienelement 18 einen Drehknopf, mit dem der Kranbediener eine Drehrate der Last in Bezug auf die feststehende Umgebung vorgeben kann.
  • Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Drehvorrichtung 1 basiert auf dem Satz der Drehimpulserhaltung, der in der Fig. 1 auf die Gesamtheit aller Bauteile angewendet werden kann, welche am Axiallager 12 (dem Drehlager des Krans) hängend gelagert sind und Massenträgheitsmomente bezüglich dessen Rotationsachse besitzen (hier strichpunktiert als Achse 14 dargestellt). Der Drehimpulserhaltungssatz besagt, dass der Gesamtdrehimpuls dieser Bauteile konstant bleibt, solange keine äußeren Momente daran angreifen. Wird der Lastdrehkreisel 21 (genauer: der Rotationskörper bzw. das Schwungrad) von internen Energiequellen und Antrieben in Drehung versetzt (siehe Pfeil 22), dann müssen, aufgrund des Satzes der Drehimpulserhaltung, alle übrigen, am Axiallager 12 hängenden Bauteile sich in entgegengesetzter Richtung 23 in Drehung versetzen. Die Drehebene des Schwungrads ist vorzugsweise im Wesentlichen horizontal ausgerichtet.
  • Figur 3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drehvorrichtung (in der Anmeldung auch als Lastdrehkreisel bezeichnet) in einer Querschnittsansicht. Die Drehvorrichtung umfasst ein erstes Verbindungselement zum festen Verbinden mit der Last. In der dargestellten Ausführungsform ist dieses erste Verbindungselement ein Fuß 31, welcher einerseits mit der Last, andererseits mit dem einen Kreisellager 32 mechanisch verbunden ist. Daran befestigt ist ein vorzugsweise scheibenförmiger Kreiselträger 33. Ein Elektromotor 34 wird so eingebaut, dass die Motorwelle mit dem Fuß 31 gekoppelt und das Motorgehäuse am Kreiselträger (Schwungrad/Rotationskörper) befestigt ist. Die Energiespeicher 35 werden im Wesentlichen an der Peripherie (Außenbereich A) des Kreiselträgers angeordnet. Wie in Fig. 3 dargestellt, kann der Rotationskörper bezüglich seiner radialen Ausdehnung R in zwei getrennte (disjunkte) Bereiche logisch unterteilt werden, einen Innenbereich I und einen Außenbereich A (siehe Fig. 3). Erfindungsgemäß ist der Außenbereich A als die Summe aller Volumenelemente definiert, die mindestens einen Abstand 2/3 R zur Achse 46 aufweisen. Entsprechend ist der Innenbereich I als der Bereich definiert, der Volumenelemente umfasst die einen Abstand kleiner als 2/3R zur Achse haben. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Außenbereich A der Bereich bezeichnet, in dem alle Volumenelemente enthalten sind, die mindestens den Abstand 3/4 R zur Achse aufweisen. Der Bereich, der nicht als Außenbereich bezeichnet wird, wird Innenbereich bezeichnet. Erfindungsgemäß sind vorzugsweise mindestens 60% der Masse des Energiespeichers und/oder der Gesamtmasse des Schwungrades in diesem Außenbereich untergebracht. Vorzugsweise sind mindestens 70%, vorzugweise mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90% der Masse des Energiespeichers im Außenbereich angebracht.
  • Die bei der Rotation entstehenden Zentrifugalkräfte werden vorzugsweise von einem äußeren Ring 36 aufgenommen. Dieser Ring trägt auch in vorteilhafter Weise zur Erhöhung des Massenträgheitsmomentes des Lastdrehkreisels bei. Bewegliche Zusatzmassen 37 können optional von der Steuerung zum Abbau von Unwuchten bewegt werden.
  • Eine Leistungselektronik 41 überträgt elektrische Energie in zwei Richtungen: von den Energiespeichern 35 zum Elektromotor 34 einerseits und andererseits vom Elektromotor 34, der als Generator betrieben wird, zurück zu den Energiespeichern 35. Eine Steuerung 42 steuert, regelt und überwacht diese und alle weiteren Vorgänge im Lastdrehkreisel.
  • Entlang der Symmetrieachse auf der Motorachse und/oder am Schwungrad können optional Sensoren 43, 44 angebracht werden, um Lage- und/oder Beschleunigungswerte aufzunehmen und der Steuerung zu übermitteln. Ein Gehäuse 45 schützt die Bauteile des Kreisels vor äußeren Einflüssen wie Nässe oder mechanischer Beschädigung. Über eine Antenne 46 erfolgt vorzugsweise ein drahtloser Datenaustausch mit dem Bedienelement.
  • Figur 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehvorrichtung, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile beschreiben. In dieser Ausführungsform ist die Lastaufnahme als Hebegeschirr 51 ausgebildet, welches über Anschlagmittel 52 (Seile, Ketten) mit der Nutzlast 53 in Verbindung steht, und der Lastdrehkreisel kann vorteilhafterweise auch hängend unterhalb des Hebegeschirrs befestigt werden.
  • Die Erfindung umfasst ebenfalls die genauen oder exakten Ausdrücke, Merkmale, numerischen Werte oder Bereiche usw., wenn vorstehend oder nachfolgend diese Ausdrücke, Merkmale, numerischen Werte oder Bereiche im Zusammenhang mit Ausdrücken wie z.B. "etwa, ca., um, im Wesentlichen, im Allgemeinen, zumindest, mindestens" usw. genannt wurden (also "etwa 3" soll ebenfalls "3" oder "im Wesentlichen radial" soll auch "radial" umfassen). Der Ausdruck "bzw." bedeutet überdies "und/oder".

Claims (15)

  1. Drehvorrichtung (1) zum Drehen einer an einer Aufhängung aufgehängten Last (17), wobei die Drehvorrichtung an der Aufhängung anbringbar ist und die Drehvorrichtung aufweist:
    einen Motor (34), dessen Motorwelle im aufgehängten Zustand im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist und mit der Last (17) drehfest verbindbar ist, wobei das Motorgehäuse mit einem drehbaren Rotationskörper (21; 33) fest verbunden ist;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Rotationskörper (21; 33) fest mit einem Energiespeicher (35) verbunden ist und die Achse (46) der Motorwelle im Wesentlichen mit einer Hauptträgheitsachse des Rotationskörpers zusammenfällt.
  2. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Rotationskörper eine radiale Ausdehnung R bezüglich der Achse (46) aufweist, wobei mindestens 60% der Masse des Energiespeichers (35) in einem Außenbereich bezüglich der radialen Ausdehnung R angebracht ist.
  3. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Energiespeicher (35) zumindest ein Element aus der Gruppe bestehend aus Batterien (35), Akkumulatoren (35) und Kondensatoren, aufweist.
  4. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor (34) mit Energie aus dem mindestens einen Energiespeicher (35) betreibbar ist.
  5. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Motorwelle mit einem Gegenstand, vorzugsweise über ein Verbindungselement (31), drehfest verbindbar ist und/oder das Motorgehäuse mit dem Rotationskörper (21; 33) drehfest verbunden ist.
  6. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor (34) als Generator betreibbar ist und eine Relativbewegung zwischen Motorgehäuse und Motorwelle Strom erzeugt, der in dem mindestens einen Energiespeicher (35) zumindest teilweise speicherbar ist.
  7. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Außenbereich dadurch definiert ist, dass er mindestens den Abstand 2/3 R zur Achse (46) aufweist, vorzugsweise mindestens ¾ R und/oder mindestens 70%, vorzugweise mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90% der Masse des Energiespeichers (35) im Außenbereich angebracht ist.
  8. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich mit mindestens einem Sensor (43, 44) zur Erfassung einer Drehrate/Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers (21; 33) und/oder die Drehrate/Drehgeschwindigkeit der aufgehängten Last (17) relativ zur Umgebung.
  9. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehvorrichtung zusätzlich mindestens eine bewegliche Zusatzmasse (37) aufweist, die vorzugsweise mit Hilfe mindestens eines Aktors relativ zum Rotationskörper (21; 33) bewegbar ist.
  10. Drehvorrichtung nach Anspruch 9 wobei die mindestens eine bewegliche Zusatzmasse (37)
    i) auf einer Kreisbahn um die Achse des Rotationskörpers (21; 33) bewegbar ist, und/oder
    ii) radial zur Achse des Rotationskörpers (21) bewegbar ist,
    um das Trägheitsmoment und/oder eine Hauptträgheitsachse des Rotationskörpers (21; 33) zu verändern.
  11. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zusätzlichen Sensoren zur Detektion und/oder Messung einer Unwucht des Rotationskörpers (21) und einer Kompensationseinrichtung mit mindestens einer beweglichen Zusatzmasse (37), wobei eine Bewegung dieser Zusatzmasse (37) die Unwucht kompensiert.
  12. Drehvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die mindestens eine bewegliche Zusatzmasse (17) in Abhängigkeit der Drehrate des Rotationskörpers (21) bewegbar ist.
  13. System zum Drehen eines aufgehängten Gegenstands mit einer Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Bedienelement (18) mit dem eine Drehrate der aufgehängten Last (17) regelbar ist.
  14. System nach Anspruch 13, wobei das Bedienelement (18) dazu angepasst ist,
    i) dass ein Benutzer des Bedienelements (18) über die aktuelle Drehrate des Gegenstands (17) und/oder des Rotationskörpers (21) informiert wird, sodass der Motor (34) so angesteuert werden kann, um diese erfasste Drehrate des Gegenstands (17) zu kompensieren und/oder
    ii) eine Schaltung im Bedienelement durch Ansteuerung des Motors die erfasste Drehrate automatisch kompensiert.
  15. Verfahren zum Drehen eines aufgehängten Gegenstands mit Hilfe einer Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bzw. mit Hilfe eines Systems nach Anspruch 14, mit den Schritten
    i) Antreiben des Motors (34) mit Energie aus dem mindestens einen Energiespeicher zur Kompensation einer Eigendrehbewegung des aufgehängten Gegenstandes bzw.
    ii) Abbremsen einer Eigendrehbewegung des aufgehängten Gegenstandes mit Hilfe des Motors, wobei die Eigendrehbewegung im Motor eine Spannung induziert, welche vorzugsweise in dem mindestens einen Energiespeicher gespeichert wird.
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