JP2011105429A

JP2011105429A - 可変ピッチプロペラを用いた振動制御装置

Info

Publication number: JP2011105429A
Application number: JP2009261050A
Authority: JP
Inventors: Toru Watanabe; 亨渡辺; Noriyuki Takasaki; 徳行高崎
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】吊り荷等の振動を急速に減衰させる振動制御装置を提供する。
【解決手段】プロペラ１０８を回転させて得られる推力によって吊り荷１０６の振動を制御する振動抑制装置であって、ピッチ角が変更可能であるプロペラを用いて、プロペラを回転させつつ、吊り荷の振動方向に応じて回転角を変更し、プロペラから得られる推力を吊り荷の振動方向に一致させ吊り荷の振動を減衰させる。また、プロペラを搭載した回転ステージを備えたり、プロペラを複数備えて減衰を増進させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変ピッチプロペラを用いた振動制御装置に関する。特に、可変ピッチプロペラを用いたクレーン吊り荷の振動制御装置に関する。

クレーンの吊り荷等の物体の振動を抑制するために幾つかの方法が提案されている。例えば、（１）吊りロープを吊下しているクレーンブーム全体の動きを制御して吊りロープに掛る吊り下げ力を制御する方法（特許文献１等）、（２）吊り荷に動吸振器を搭載し、その慣性力により制振力を与える方法（特許文献２等）、（３）吊り荷にジャイロを搭載し、ジャイロモーメントにより制振力を与える方法、（４）振動方向に合わせてプロペラを回転させ、その推力によって吊り荷に制振力を与える方法、等が提案されている。

特開２００５−０６７７４７号公報特開２００６−２５８１４１号公報

ところで、上記方法（１）では、振動制御のための機構が大掛かりとなり、精度よく制御することが難しいという欠点がある。また、上記方法（２）では、対象となる振動のストロークが限定されるため、振動が長周期となる大型クレーン等の振動制御は困難である。また、上記（１）及び（２）のいずれにおいても、吊りロープの変化に伴って吊り荷の振動周期が変化するので、制御のために必要なパラメータを変更する必要があり、それらのパラメータの設定が複雑になるという問題がある。また、上記方法（３）でも、ジャイロから与えられるジャイロモーメントが３次元となるので制御のために必要なパラメータの設定が複雑になるという問題がある。

これらの方法に対して、上記方法（４）では、長周期の振動に対しても有効であり、かつ制御のためのパラメータ等の設定も簡単であるという利点がある。

しかしながら、プロペラは回転し始めてから推力が得られるまでの間の時間的な遅れが大きく、吊りロープ長が短い場合等において振動の周期が短くなると十分な振動制御の応答速度が得られないという問題がある。また、頻繁にプロペラの回転・停止を繰り返すことで、駆動エネルギーの損失や機械の消耗を招くという問題もある。

本発明の１つの態様は、プロペラを回転させて得られる推力によって物体の振動を制御する振動制御装置であって、前記プロペラは、ピッチ角が変更可能である可変ピッチプロペラである振動制御装置である。

ここで、前記物体は、クレーンの吊り荷である場合に本発明の作用は顕著となる。また、前記プロペラは、前記クレーンのクレーンブームに設置されていることが好適である。

また、前記物体の振動方向に応じて回転角を変更し、前記プロペラから得られる推力を前記物体の振動方向に一致させる前記プロペラを搭載した回転ステージを備えることが好適である。

前記プロペラを複数備え、同一方向に向けられた前記プロペラは回転方向が逆であることが好適である。また、前記プロペラは、逆方向に回転するプロペラが同軸に複数設けられた２重反転プロペラであることが好適である。

本発明によれば、吊り荷等の振動を急速に減衰させることができる。

本発明の実施の形態におけるクレーンシステムの構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるプロペラの構成の例を示す図である。本発明の実施の形態におけるプロペラの配置の例を示す図である。本発明の実施の形態におけるプロペラの配置の例を示す図である。本発明の実施の形態における振動制御のフローチャートを示す図である。本発明の実施の形態におけるプロペラによる推力の立ち上がり特性を示す図である。振動制御を行わない場合の吊り荷の振動の時間変化を示す図である。本発明の実施の形態における振動制御を行った場合の吊り荷の振動の時間変化を示す図である。

本発明の実施の形態におけるクレーンシステム１００は、図１に示すように、クレーン本体１０２及び制御装置１０４を含んで構成される。クレーンシステム１００は、振動制御装置１０４ａを含む制御装置１０４によってクレーン本体１０２を制御することによって、吊り荷１０６を吊り上げて移動・旋回等を行う。

クレーン本体１０２は、油圧モータ１０、旋回駆動機構１２、油圧シリンダ１４、ブーム１６及び吊り具１８を含んで構成される。制御装置１０４は、変位センサ２０、位置制御部２２、誤差演算器２４及び駆動ドライバ２６を含んで構成される。また、制御装置１０４に含まれる振動制御装置１０４ａは、速度センサ３０、振動制御演算部３２及びプロペラ駆動ドライバ３４を含んで構成される。

クレーン本体１０２のブーム１６には、吊り具１８が吊りロープ１８ａによって吊られており、吊り具１８によって吊り荷１０６が把持される。

クレーンシステム１００の基本動作について説明する。クレーン作業者は、制御装置１０４の位置制御部２２に含まれる操作ハンドル等を用いて吊り荷１０６の移動速度（移動方向及び速さ）及び旋回速度（旋回方向及び速さ）の目標値を誤差演算器２４へ入力する。一方、クレーン本体１０２の吊り具１８には変位センサ２０が設けられており、変位センサ２０によって吊り具１８の移動速度（移動方向及び速さ）及び旋回速度（旋回方向及び速さ）の実測値が誤差演算器２４へ入力される。誤差演算器２４は、位置制御部２２から入力された移動速度の目標値と変位センサ２０から入力された移動速度の実測値との差分を演算し、演算で得られた差分に応じた速度制御信号を生成する。また、誤差演算器２４は、位置制御部２２から入力された旋回速度の目標値と変位センサ２０から入力された旋回速度の実測値との差分を演算し、演算で得られた差分に応じた旋回制御信号を生成する。速度制御信号及び旋回制御信号は駆動ドライバ２６へ入力される。駆動ドライバ２６は、速度制御信号を適切なゲインで増幅し、移動速度の目標値と実測値との差分を補償するように油圧モータ１０を駆動させる。油圧モータ１０が駆動されることにより、ブーム１６が移動速度の目標値と一致するように動かされる。また、駆動ドライバ２６は、旋回制御信号を適切なゲインで増幅し、旋回速度の目標値と実測値との差分を補償するように油圧モータ１０を駆動させる。このような制御によって、クレーン本体１０２のブーム１６によって吊り荷１０６が移動及び旋回される。

次に、本実施の形態におけるクレーンシステム１００での振動制御について説明する。クレーンシステム１００における振動制御は、制御装置１０４に含まれる振動制御装置１０４ａによってプロペラ１０８の回転を制御することで実現される。

プロペラ１０８は、図２に示すように、羽根４０、回転軸４２、推力モータ４４、ピッチ変更モータ４６及びピッチ変更機構４８を含んで構成される。羽根４０は、回転軸４２の周囲に単数又は複数設けられる。推力モータ４４は、回転軸４２を回転させる。推力モータ４４は、回転軸４２と共に羽根４０を回転させることによって推力を発生させる。また、プロペラ１０８には、ピッチ変更モータ４６とピッチ変更機構４８が設けられ、ピッチ変更モータ４６を回転させることによって、図２の破線で示すように、羽根４０のピッチ（ねじり角θ）が変更可能とされている。ピッチ変更モータ４６は、例えば、ステッピングモータのように回転角が高い精度で制御可能なモータとすることが好ましい。また、ピッチ変更機構４８は、既存の機械的機構であってよい。羽根４０のピッチを変更可能とすることによって、回転軸４２を同一の角速度で回転させている状態においてもピッチを変更することによってプロペラ１０８によって得られる推力を調整することを可能としている。

なお、プロペラ１０８は、回転ステージ５０を含んで構成してもよい。回転ステージ５０は、吊り荷１０６の振動の方向に応じて、プロペラ１０８の回転軸４２の方向を変更するために用いられる。

なお、図２の構成は、プロペラ１０８の一例であり、プロペラ１０８の構成はこれに限定されるものではない。

プロペラ１０８は、吊り荷１０６を移動又は旋回させた際に生ずる振動を抑制できる推力を吊り荷１０６に与えられる位置に配置する。例えば、図３に示すように、プロペラ１０８は、吊り具１８に取り付けることが好適である。また、例えば、図４に示すように、プロペラ１０８は、吊り荷１０６自体に取り付けてもよい。なお、図３及び図４では、構成を明確に示すためにプロペラ１０８を簡略化して示している。

振動制御は、例えば、図５のフローチャートに沿って行われる。振動制御が開始されると、振動制御演算部３２からプロペラ１０８の回転制御信号がプロペラ駆動ドライバ３４へ出力され、プロペラ駆動ドライバ３４から回転駆動電力が推力モータ４４へ出力されて推力モータ４４によって回転軸４２が回転させられる。

ステップＳ１０では、振動制御装置１０４ａに含まれる速度センサ３０によって、吊り荷１０６を移動又は旋回させた際の吊り荷１０６の振動の速度（吊り荷１０６の揺れの方向及び速さ）を取得する。速度センサ３０は、図３又は図４に示すように、吊り具１８や吊り荷１０６に設けることが好適である。振動の速度は、振動制御演算部３２に入力される。

ステップＳ１２では、速度センサ３０から得られた吊り荷１０６の振動が正方向、負方向及び中立のいずれであるかを判定する。振動制御演算部３２は、入力された吊り荷１０６の振動の速度の情報から振動の速さを求め、その速さが所定の閾値以下であるか否かを判定する。振動の速さが所定の閾値以下である場合には、振動は中立な状態にあるとしてステップＳ１４へ処理を移行させる。一方、振動の速さが所定の閾値より大きい場合には、振動の速度の情報から振動の方向を求め、正方向であればステップＳ１６へ処理を移行させ、負方向であればステップＳ１８へ処理を移行させる。ここで、正方向及び負方向とは、プロペラ１０８の回転軸４２に沿った互いに反対向きの方向をそれぞれ正方向及び負方向として規定する。すなわち、羽根４０を正ピッチにしたときに得られるプロペラ１０８の推力の方向を正方向、羽根４０を負ピッチにしたときに得られるプロペラ１０８の推力の方向を負方向とする。

ステップＳ１４では、振動制御演算部３２は、プロペラ１０８からの推力が実質的に発生しないように羽根４０のピッチ（ねじり角θ）となるようにピッチ制御信号をプロペラ駆動ドライバ３４へ出力する。プロペラ駆動ドライバ３４は、ピッチ制御信号を受けて、ピッチ変更モータ４６を回転させてピッチ変更機構４８を作用させ、プロペラ１０８から実質的に推力が得られないように羽根４０のピッチに変更する。ここで、プロペラ１０８から推力が実質的に発生しないとは、吊り荷１０６の振動に対して有意の変化を与えることがない程度の力以下の推力しか発生しないことを意味する。

ステップＳ１６では、振動制御演算部３２は、プロペラ１０８からの推力が負方向に一致するようにピッチ制御信号をプロペラ駆動ドライバ３４へ出力する。プロペラ駆動ドライバ３４は、ピッチ制御信号を受けて、ピッチ変更モータ４６を回転させてピッチ変更機構４８を作用させ、羽根４０のピッチ（ねじり角θ）が負ピッチとなるように調整する。これにより、プロペラ１０８から負方向へ推力が発生し、振動により正方向に移動している吊り荷１０６に対して反対向きの力が加えられ、吊り荷１０６の振動を減衰させる作用が得られる。

ステップＳ１８では、振動制御演算部３２は、プロペラ１０８からの推力が正方向に一致するようにピッチ制御信号をプロペラ駆動ドライバ３４へ出力する。プロペラ駆動ドライバ３４は、ピッチ制御信号を受けて、ピッチ変更モータ４６を回転させてピッチ変更機構４８を作用させ、羽根４０のピッチ（ねじり角θ）が正ピッチとなるように調整する。これにより、プロペラ１０８から正方向へ推力が発生し、振動により負方向に移動している吊り荷１０６に対して反対向きの力が加えられ、吊り荷１０６の振動を減衰させる作用が得られる。

ステップＳ１０〜Ｓ１８を繰り返すことによって、吊り荷１０６の振動を短時間に減衰させることができる。特に、吊りロープ１８ａが短い場合等において、吊り荷１０６の振動の周期が短くなった場合であっても、プロペラ１０８の羽根４０のピッチ（ねじり角θ）を調整することによって振動の周期に対して十分に短い周期でプロペラ１０８からの推力の方向を変更することができ、吊り荷１０６の振動の減衰に効果的である。また、頻繁にプロペラの回転・停止を繰り返すよりも、駆動エネルギーの損失や機械の消耗を低減することができる。

例えば、表１に示すような実験装置において、推力方向の切り換え時の立ち上がり特性を測定した。図６に示すように、羽根４０のピッチを固定して回転軸４２の回転方向のみを変更することによって推力の方向を切り換えた場合（破線）より羽根４０のピッチを調整して推力の方向を切り換えた場合の方が応答速度は速いことが分かる。なお、図６の縦軸は推力の測定値、横軸は時間である。

また、吊り荷１０６に初期振幅０．５ｍを与え、その振幅の変化をレーザ変位センサにより計測した。振動制御を行わなかった場合には図７に示すように振動が継続したが、羽根４０のピッチを調整して振動制御を行った場合には図８に示すように振動を急速に減衰させることができた。なお、図７及び図８の縦軸は振動の振れ幅、横軸は時間である。また、図７及び図８には、実験値（実線）に併せて、シミュレーションの結果（破線）も示している。

なお、上記の振動制御方法では、プロペラ１０８のピッチのみを調整して振動制御を行ったが、吊り荷１０６の振動の速度に応じてプロペラ１０８の回転速度の調整、吊り荷１０６の振動の方向に応じて回転ステージ５０の回転角度の調整を組み合わせてもよい。例えば、振動による吊り荷１０６の移動の速さが大きくなるにつれて回転軸４２の回転速度を大きくし、振動による吊り荷１０６の移動の速さが小さくなるにつれて回転軸４２の回転速度を小さくするようにしてもよい。また、吊り荷１０６の振動方向に応じて、その振動方向にプロペラ１０８の推力の発生方向が一致するように回転ステージ５０の回転角度の調整するようにしてもよい。

また、プロペラ１０８の羽根４０の回転に伴うトルクの発生を打ち消すように、互いに逆方向に回転して回転トルクを与えるプロペラ１０８を同一方向に向けてペアで配置することも好適である。また、プロペラ１０８を２重反転プロペラとして、発生する回転トルクを抑制するようにしてもよい。

１０油圧モータ、１２旋回駆動機構、１４油圧シリンダ、１６ブーム、１８吊り具、１８ａ吊りロープ、２０変位センサ、２２位置制御部、２４誤差演算器、２６駆動ドライバ、３０速度センサ、３２振動制御演算部、３４プロペラ駆動ドライバ、４０羽根、４２回転軸、４４推力モータ、４６ピッチ変更モータ、４８ピッチ変更機構、５０回転ステージ、１００クレーンシステム、１０２クレーン本体、１０４制御装置、１０４ａ振動制御装置、１０６吊り荷、１０８プロペラ。

Claims

プロペラを回転させて得られる推力によって物体の振動を制御する振動制御装置であって、
前記プロペラは、ピッチ角が変更可能である可変ピッチプロペラであることを特徴とする振動制御装置。
請求項１に記載の振動制御装置であって、
前記物体は、クレーンの吊り荷であることを特徴とする振動制御装置。
請求項２に記載の振動制御装置であって、
前記プロペラは、前記クレーンのクレーンブームに設置されていることを特徴とする振動制御装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の振動制御装置であって、
前記物体の振動方向に応じて回転角を変更し、前記プロペラから得られる推力を前記物体の振動方向に一致させる前記プロペラを搭載した回転ステージを備えることを特徴とする振動制御装置。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の振動制御装置であって、
前記プロペラを複数備え、同一方向に向けられた前記プロペラは回転方向が逆であることを特徴とする振動制御装置。
請求項１〜５のいずれか１つに記載の振動制御装置であって、
前記プロペラは、逆方向に回転するプロペラが同軸に複数設けられた２重反転プロペラであることを特徴とする振動制御装置。