JP2008110825A - 吊り荷重演算装置および過負荷防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過負荷防止装置を精度よく作動させる。
【解決手段】回動可能なブーム４を支持する支持部材５に作用するブーム支持力ＴＢを検出する支持力検出手段３１と、ブーム４の後方への回動を制限するバックストップ２０からブーム４に作用するバックストップ反力ＦＳを検出する反力検出手段３３と、支持力検出手段３１および反力検出手段３３の検出結果ＴＢ，ＦＳを用いて、ブーム４から吊り下げられる吊り荷の吊り荷重Ｗを演算する荷重演算手段５２と、演算された吊り荷重Ｗに基づき過負荷を判定する過負荷判定手段５１と、過負荷判定手段５１による判定結果に応じた信号を出力する出力手段５４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、クレーンに負荷される吊り荷重を演算する吊り荷重演算装置および過負荷防止装置に関する。

一般に、クレーンには、ブームに作用する負荷を制限するために過負荷防止装置が搭載される（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の装置では、ロープ張力検出器により起伏ロープの張力を検出し、この検出値により吊り荷重を演算する。そして、この吊り荷重がその作業半径の下での定格荷重を超えないようにクレーンの動作を制限する。ブームの背後にはバックストップが設けられ、ブームの後方への仰動はバックストップにより制限される。

特開平１１−２２２３８５号公報

上述した装置では、ブームが後方に仰動し、ブーム角度が所定値以上になるとバックストップからブームに反力が作用する。しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、このバックストップ反力を考慮しないで、起伏ロープ張力により吊り荷重を算出しているので、吊り荷重を精度よく算出することができず、過負荷防止装置によりブームに作用する負荷を精度よく制限できない。

本発明による吊り荷重演算装置は、回動可能なブームを支持する支持部材に作用するブーム支持力を検出する支持力検出手段と、ブームの後方への回動を制限するバックストップからブームに作用するバックストップ反力を検出する反力検出手段と、支持力検出手段および反力検出手段の検出結果を用いて、ブームから吊り下げられる吊り荷の吊り荷重を演算する荷重演算手段とを備えることを特徴とする。
ブームの回動姿勢を検出する姿勢検出手段と、ブーム支持力によってブームに作用するモーメントのモーメントアーム長さ、およびバックストップ反力によってブームに作用するモーメントのモーメントアーム長さと、ブームの回動姿勢との対応関係を記憶する記憶手段とを備え、姿勢検出手段と記憶手段とにより各モーメントアーム長さを算出し、算出したモーメントアーム長さと支持力検出手段および反力検出手段の検出結果を用いたモーメントの釣り合い式により吊り荷重を演算することが好ましい。
本発明による過負荷防止装置は、上述の吊り荷重演算装置と、吊り荷重演算装置により演算された吊り荷重に基づき過負荷を判定する過負荷判定手段と、過負荷判定手段による判定結果に応じた信号を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、バックストップ反力の検出値を用いて吊り荷重を演算するので、バックストップ反力が発生する作業姿勢において吊り荷重を精度よく算出できる。

以下、図１〜４を参照して本発明によるクレーンの過負荷防止装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る過負荷防止装置が搭載されるクレーンの側面図である。下部走行体１の上部には旋回輪２を介して上部旋回体３が旋回自在に取り付けられ、上部旋回体３の前部にはブーム４が起伏可能に軸支されている。ブーム４の背面には、ブーム４の後方への回動を制限するバックストップ２０が取り付けられている。

ブーム４の上端には、ペンダントロープ５の一端が連結され、ペンダントロープ５の他端はブライドル７に連結されている。上部旋回体３の後部にはＡフレーム８が立設され、起伏ドラム１０に巻回された起伏ロープ６は、Ａフレーム８の頂部のハンガ９を経由し、ハンガ９とブライドル７との間に複数回掛け回されている。起伏ドラム１０による起伏ロープ６の巻き取りまたは繰り出しによってハンガ９とブライドル７との間隔が変化し、ブーム４が起伏する。ブーム４はペンダントロープ５を介して起伏ロープ６により支持され、ブーム４に作用する支持力は、起伏ロープ張力にロープ掛け数を乗じた値、換言すればペンダントロープ５の張力に相当する。一方、巻上ドラム１３に巻回された巻上ロープ１１は、ブーム先端部を経由し、ブーム先端部とフック１２との間に複数回掛け回されている。巻上ドラム１３による巻上ロープ１１の巻き取りまたは繰り出しによりフック１２が昇降する。

図２に示すようにバックストップ２０は、外筒２１と、外筒２１の内側にスライド可能に収納される内筒２２と、内筒２２に嵌装される緩衝ばね２３とを備える。外筒２１の上端部は、ピン２１ａを介してブーム４の背面部に回動可能に連結され、内筒２２の下端部は、ピン２２ａを介して上部旋回体３に回動可能に連結されている。緩衝ばね２３は、外筒２１のフランジ部２１ｂと内筒２２のフランジ部２２ｂとの間に収容され、ブーム４の後方への回動によりバックストップ２０に圧縮力が作用する。これにより緩衝ばね２３が縮退してバックストップ２０の全長が短くなり、ブーム４にばね力（バックストップ反力）が作用する。

なお、バックストップ２０が機能するのはブーム角度θ（図３）が所定角以上のときである。すなわちブーム角度θが小さいときはバックストップ反力は作用せず、ブーム角度θが所定角以上のときに緩衝ばね２３が縮退してバックストップ反力が作用する。また、本実施の形態のクレーンには、過負荷防止装置とは別に、バックストップ２０に作用する荷重を制限するための安全装置が設けられている。この安全装置は、緩衝ばね２３が所定量以上縮退してブーム角度が制限角以上になると、あるいはバックストップ反力が制限値以上になると作動し、ブーム４の起立動作を禁止する。

図３は、ブーム４に作用する力の関係を示す図である。起伏ロープ６には張力検出器３１が連結され、張力検出器３１により起伏ロープ張力ＴＨが検出される。ブーム４には角度検出器３２が取り付けられ、角度検出器３２によりブーム角度θが検出される。バックストップ２０のフランジ部２２ｂにはロードセルなどの反力検出器３３が設けられ、反力検出器３３によりバックストップ反力ＦＳが検出される。

ブーム４には、ペンダントロープ５を介した起伏ロープ６からの引張力と巻上ロープ１１からの引張力が、それぞれブームフート１４を支点にした後ろ回りの回転モーメントＭＢ，ＭＷ１として作用する。また、巻上ロープ１１を介した吊り荷重Ｗによる引張力と、バックストップ２０による反力と、ブーム４の自重が、それぞれ前回りの回転モーメントＭＷ２，ＭＳ，Ｍ０として作用する。なお、吊り荷重Ｗはフック１２の自重ＷＨと吊り荷１５の重量ＷＬの和である。

ここで、起伏ロープ張力ＴＨによるモーメントＭＢのモーメントアーム長さＨＢ、巻上ロープ張力ＴＷによるモーメントＭＷ１のモーメントアーム長さＨＷ、およびバックストップ反力ＦＳによるモーメントＭＳのモーメントアーム長さＨＳは、それぞれブーム角度θに応じて変化する。このため、予め各モーメントアーム長さＨＢ，ＨＷ，ＨＳとブーム角度θとの対応関係を定めておくことで、検出したブーム角度θからモーメントアーム長さＨＢ，ＨＷ，ＨＳをそれぞれ求めることができる。また、吊り荷重によるモーメントＭＷ２のモーメントアーム長さＲはブーム長さとブーム角度θから求めることができる。以下、図３を参照しつつ、過負荷防止装置の構成を説明する。

図４は、過負荷防止装置の構成を示すブロック図である。過負荷防止装置５０は、過負荷判定装置５１、吊り荷重演算装置５２、バックストップ反力モーメント演算装置５３、入出力装置５４、およびメモリ５５を含む。

入出力装置５４には、張力検出器３１からの信号ＴＨ_ＳＩＧと、角度検出器３２からの信号θ_ＳＩＧと、反力検出器３３からの信号ＦＳ_ＳＩＧが入力され、これらはそれぞれ起伏ロープ張力ＴＨ、ブーム角度θ、バックストップ反力ＦＳに変換される。入出力装置５４には、スイッチ操作等によりオペレータが設定したフック掛け数ＮＨも入力される。

メモリ５５には、予めモーメントアーム長さＨＢ，ＨＷ，ＨＳとブーム角度θとの対応関係、起伏ロープ６の掛け数ＮＢ、ブーム４の自重モーメントＭ０、ブーム長さ、および作業半径に対応した定格総荷重ＷＲ（定格荷重曲線）等が記憶されている。定格総荷重ＷＲとは、その作業半径における吊り上げ可能な荷重の限界値であり、クレーンの機体の転倒やブーム４などの構成部材の破損を防ぐために設定されている。

バックストップ反力モーメント演算装置５３は、入出力装置５４からブーム角度θとバックストップ反力ＦＳとを読み込む。メモリ５５からはブーム角度θに対応したモーメントアーム長さＨＳを読み込む。そして、次式(I)により、バックストップ反力ＦＳによってブーム４に作用する前回りのモーメントＭＳを演算する。
ＭＳ＝ＦＳ×ＨＳ ・・・(I)
演算したモーメントＭＳは吊り荷重演算装置５２に出力する。

吊り荷重演算装置５２は、入出力装置５４からブーム角度θ、起伏ロープ張力ＴＨ、フック掛け数ＮＨを読み込む。メモリ５５からはブーム角度θに対応したモーメントアーム長さＨＢ，ＨＷ、起伏ロープ６の掛け数ＮＢ、ブーム４の自重モーメントＭ０、ブーム長さ等を読み込む。そして、以下のようにして吊り荷重Ｗを演算する。

吊り荷重Ｗの算出方法について説明する。ブーム４の後方の巻上ロープ１１の張力ＴＷは次式(II)で表せる。
ＴＷ＝Ｗ／ＮＨ ・・・(II)
ブームフート１４を支点にしたモーメントの釣り合いは次式(III)で表せる。
ＭＢ＋ＭＷ１＝ＭＷ２＋ＭＳ＋Ｍ０ ・・・(III)
ここで、ＭＢ＝ＮＢ×ＨＢ×ＴＨ，ＭＷ１＝ＴＷ×ＨＷ，ＭＷ２＝Ｗ×Ｒであり、上式(III)は次式(IV)のようになる。なお、Ｒはブーム長さとブーム角度θにより演算できる。
ＮＢ×ＨＢ×ＴＨ＋ＴＷ×ＨＷ＝Ｗ×Ｒ＋ＭＳ＋Ｍ０ ・・・(IV)
式(II）と(IV)より、吊り荷重Ｗは次式(V)で表される。
Ｗ＝｛ＮＢ×ＨＢ×ＴＨ−（ＭＳ＋Ｍ０）｝／（Ｒ−ＨＷ／ＮＨ） ・・・(V)
吊り荷重演算装置５２は、上式(V)により吊り荷重Ｗを演算し、吊り荷重Ｗを過負荷判定装置５１に出力する。

上式(V)には、バックストップ反力ＦＳによるモーメントＭＳが含まれており、バックストップ反力ＦＳを考慮して吊り荷重Ｗが演算される。すなわちバックストップ反力ＦＳによるモーメントＭＳを前回りのモーメントに加算して吊り荷重Ｗが算出される。このため、バックストップ反力ＦＳの影響が吊り荷重Ｗに反映され、吊り荷重Ｗを精度よく算出できる。これに対しバックストップ反力ＦＳによるモーメントＭＳを考慮しないと、その分、吊り荷重ＷによるモーメントＭＷ２が実際よりも大きくなり、吊り荷重Ｗを精度よく算出できない。

過負荷判定装置５１は、メモリ５５から作業半径Ｒに対応した定格総荷重ＷＲを読み込み、吊り荷重の演算値Ｗが定格総荷重ＷＲ以上か否か、すなわちクレーンが過負荷状態にあるか否かを判定する。Ｗ≧ＷＲと判定されると、入出力装置５４に過負荷信号を出力する。Ｗ＜ＷＲと判定されると、過負荷信号の出力を停止する。

過負荷信号が出力されると、入出力装置５４は、図示しないドラム駆動用のモータ回路（電磁弁等）に自動停止信号を出力し、ドラム駆動用モータへのドラム駆動圧の供給を停止させ、ドラム１０，１３の駆動を停止する。これによりブーム４に作用する最大負荷を制限し、クレーンの転倒を防止する。また、入出力装置５４は、図示しない警報装置に警報信号を出力し、警報ランプを点灯、あるいはスピーカから警報音を発生させ、過負荷状態をオペレータに報知する。なお、過負荷判定装置５１における判定結果を表示装置等に出力してもよく、例えば負荷率等を表示してもよい。

本実施の形態では、バックストップ反力ＦＳを考慮して吊り荷重Ｗを算出しており、吊り荷重Ｗの算出精度が高い。このため、クレーンの過負荷状態を精度よく判定することができ、過負荷防止装置５０による自動停止および警報発生の作動精度が高まり、安全性を向上できる。吊り荷重Ｗが実際の値よりも大きな値として算出されると、過負荷防止装置が早めに作動し、作業範囲が無駄に制限されるが、本実施の形態では、吊り荷重Ｗを精度よく算出できるため、作業範囲も広がる。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）反力検出器３３によりバックストップ反力ＦＳを検出し、バックストップ反力ＦＳを用いて吊り荷重Ｗを演算するので、バックストップ反力ＦＳが発生する作業姿勢において吊り荷重Ｗを精度よく算出できる。
（２）バックストップ反力ＦＳに基づき算出した吊り荷重Ｗにより、クレーンの過負荷を判定するので、過負荷判定精度が高まり、ブーム４に作用する負荷を精度よく制限できる。
（３）予めブーム角度θとモーメントアーム長さＨＢ，ＨＷ，ＨＳとの対応関係を記憶し、この対応関係を用いてブーム角度θに対応したモーメントアーム長さＨＢ，ＨＷ，ＨＳを算出し、モーメントの釣り合いの式(V)から吊り荷重Ｗを演算するので、少ないセンサにより吊り荷重Ｗを容易に算出できる。

なお、上記実施の形態では、内筒２２と外筒２１と緩衝ばね２３とによりバックストップ２０を構成したが、バックストップ２０の構成はこれに限らない。例えば緩衝ばね２３を外筒２１の上端部に設けてもよい。緩衝ばね２３の縮退量を規制する規制部材を設けてもよい。緩衝ばね２３の代わりに他の弾性部材を設け、バックストップ反力ＦＳを付与してもよい。油圧シリンダによりバックストップ２０を構成し、シリンダの油圧力によりバックストップ反力ＦＳを付与してもよい。

バックストップ２０に設けた反力検出器３３によりバックストップ反力ＦＳを検出したが、反力検出手段はこれに限らない。例えばバックストップ反力ＦＳが発生し始めるバックストップ長さの初期値Ｌ０とばね定数Ｋとを予めメモリ５５に記憶しておくとともに、長さ検出器によりバックストップ２０の長さＬを検出し、初期値Ｌ０と検出値Ｌとの差ΔＬにばね定数Ｋを乗じてバックストップ反力ＦＳを算出してもよい。バックストップ反力ＦＳが発生し始めるばね長さの初期値Ｓ０とばね定数Ｋとを予めメモリ５５に記憶しておくとともに、長さ検出器によりばね２３の長さＳを検出し、初期値Ｓ０と検出値Ｓとの差ΔＳにばね定数Ｋを乗じてバックストップ反力ＦＳを算出してもよい。油圧シリンダによりバックストップ２０を構成する場合には、圧力検出器によって油圧力Ｐを検出し、この油圧力Ｐに、予めメモリ５５に記憶したシリンダの受圧面積を乗じてバックストップ反力ＦＳを算出してもよい。

ペンダントロープ５を介して起伏ロープ６によりブーム４を支持したが、ロープ以外の支持部材を用いてもよい。起伏ロープ張力ＴＨ×ロープ掛け数ＮＢでブーム４の支持力、つまりペンダントロープ５に作用する張力ＴＢを求めたが、支持力検出手段の構成はこれに限らない。過負荷防止装置５０に組み込んだ吊り荷重演算装置５２により吊り荷重Ｗを演算したが、少なくともブーム支持力とバックストップ反力ＦＳの検出結果を用いて吊り荷重Ｗを演算するのであれば、すなわちバックストップ反力ＦＳを考慮して吊り荷重Ｗを演算するのであれば、荷重演算手段の構成は上述したものに限らない。演算された吊り荷重Ｗを過負荷の判定以外に用いてもよい。

角度検出器３２によりブーム角度θを検出したが、他の姿勢検出手段を用いてもよい。記憶手段としてのメモリ５５に記憶される内容は、上述した以外のものであってもよい。過負荷判定手段としての過負荷判定装置５１の構成も上述したものに限らない。出力手段としての入出力装置５４は、上述した以外の種々の制御信号を出力してもよい。本発明は図１に示したクレーンだけでなく、ライブマストを有するクレーン、伸縮可能なテレスコブームを有するクレーン、タワークレーン等にも同様に適用できる。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の過負荷防止装置に限定されない。

本発明の実施の形態に係る過負荷防止装置が搭載されるクレーンの側面図。 バックストップの構成を示す図。 図１のブームに作用する力の関係を示す図。 本発明の実施の形態に係る過負荷防止装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

２０ バックストップ
３１ 張力検出器
３２ 角度検出器
３３ 反力検出器
５０ 過負荷防止装置
５１ 過負荷判定装置
５２ 吊り荷重演算装置
５４ 入出力装置
５５ メモリ

Claims (3)

1. 回動可能なブームを支持する支持部材に作用するブーム支持力を検出する支持力検出手段と、
   前記ブームの後方への回動を制限するバックストップからブームに作用するバックストップ反力を検出する反力検出手段と、
   前記支持力検出手段および前記反力検出手段の検出結果を用いて、ブームから吊り下げられる吊り荷の吊り荷重を演算する荷重演算手段とを備えることを特徴とする吊り荷重演算装置。
2. 請求項１に記載の吊り荷重演算装置において、
   ブームの回動姿勢を検出する姿勢検出手段と、
   前記ブーム支持力によってブームに作用するモーメントのモーメントアーム長さ、および前記バックストップ反力によってブームに作用するモーメントのモーメントアーム長さと、ブームの回動姿勢との対応関係を記憶する記憶手段とを備え、
   前記荷重演算手段は、前記姿勢検出手段と前記記憶手段とにより前記各モーメントアーム長さを算出し、算出したモーメントアーム長さと前記支持力検出手段および反力検出手段の検出結果を用いたモーメントの釣り合い式により吊り荷重を演算することを特徴とする吊り荷重演算装置。
3. 請求項１または２に記載の吊り荷重演算装置と、
   前記吊り荷重演算装置により演算された吊り荷重に基づき過負荷を判定する過負荷判定手段と、
   前記過負荷判定手段による判定結果に応じた信号を出力する出力手段とを備えることを特徴とする過負荷防止装置。

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