JP2016030652A

JP2016030652A - 電動ウインチ装置

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Publication number: JP2016030652A
Application number: JP2014152009A
Authority: JP
Inventors: 宏明河合; Hiroaki Kawai; 稗方　孝之; Takashi Hiekata; 孝之稗方; 慎太郎笹井; Shintaro Sasai; 直人堀; Naoto Hori; 山下　俊郎; Toshiro Yamashita; 俊郎山下; 下村　耕一; Koichi Shimomura; 耕一下村
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Cranes Co Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Cranes Co Ltd
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-03-07
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: EP3173368A1; EP3173368A4; WO2016013430A1; EP3173368B1; US20170210606A1; US10315896B2; JP6271364B2

Abstract

【課題】回生機能を備えたクレーンの電動ウインチ装置において回生電力消費部から電動機に至る電気系統にフェールが発生した場合でも、対象物のフリーフォール時に対象物が許容停止高さを超えて降下するのを防ぐ。
【解決手段】電動ウインチ装置は、フリーフォールする対象物１０２を許容停止高さｈに停止させるための必要制動力を導出する必要制動力導出部と、ペダル２８ａの操作量に応じた操作制動力のうち制動装置２４に負担させる第１制動力と回生制動によって負担する第２制動力とをそれぞれ決定する制動力決定部と、制動装置２４に制動力決定部によって決定された第１制動力をドラム１２に対して付与させる制御部とを備え、制動力決定部は、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに操作制動力が必要制動力以上である場合に第１制動力を必要制動力以上の所定の制動力に決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、クレーンに用いられる電動ウインチ装置に関する。

従来、クレーンに搭載されて吊作業（クレーン作業）を行うためのウインチ装置として、電動機により駆動されて吊作業の対象物の巻上を行う電動ウインチ装置が知られている。そして、電動ウインチ装置として、対象物の巻下時にその対象物の降下による運動エネルギを電気エネルギに変換して回収する回生機能を備えたものが知られている。下記特許文献１には、このような回生機能を備えた電動ウインチ装置の一例が開示されている。

特許文献１に開示された電動ウインチ装置は、電動機としてのモータと、巻下時にモータで生じる回生電力を蓄電する蓄電手段とを備えている。モータは、蓄電手段から供給される電力と商用電源から供給される電力の少なくとも一方により駆動され、クレーンを作動させるようになっている。

特開２００７−１６６７７５号公報

ところで、移動式クレーンでは、対象物を自由落下に近い状態で降下させる対象物のフリーフォールを実施可能な電動ウインチ装置が用いられる場合がある。このような電動ウインチ装置が上記のような回生機能を備えていると、対象物のフリーフォール時に電動機で電力が回生され、その回生された電力が蓄電装置への蓄電により消費されることで電動機に制動力が発生する。この電動機に発生した制動力によりウインチドラムの巻下方向への回転に制動が掛けられ、対象物のフリーフォールが制動される。

しかしながら、蓄電装置から電動機に至る電気系統のうちのいずれかの箇所で短絡等のフェールが発生した場合には、電動機で回生された電力が消費されず、回生による制動力が得られなくなる。対象物のフリーフォール時にはブレーキ操作によって対象物を停止させる必要がある最低の高さとして許容停止高さが設定されるが、このように回生による制動力が得られなくなった場合には、対象物が許容停止高さを超えてさらに降下してしまう虞がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回生機能を備えたクレーンの電動ウインチ装置において蓄電装置等の回生電力消費部から電動機に至る電気系統にフェールが発生した場合でも、対象物のフリーフォール時に対象物が許容停止高さを超えて降下するのを防ぐことである。

上記目的を達成するため、本発明による電動ウインチ装置は、クレーンに設けられて対象物の巻上及び巻下を行う電動ウインチ装置であって、電動機と、前記電動機により駆動されて前記対象物の巻上のために回転するウインチドラムと、前記ウインチドラムの回転を制動する制動装置と、前記対象物の降下を停止させるために操作される制動操作部と、前記対象物の降下時に前記電動機により回生される回生電力の少なくとも一部を消費して前記電動機に前記ウインチドラムの回転に対する制動力を発生させる回生電力消費部と、前記対象物のフリーフォール時にその対象物を停止させる必要がある最低の高さである許容停止高さを設定するための設定部と、前記制動操作部の操作量に応じた制動力である操作制動力を導出する操作制動力導出部と、フリーフォールする前記対象物を前記設定部により設定された前記許容停止高さに停止させるために必要な制動力である必要制動力を導出する必要制動力導出部と、前記操作制動力のうち前記制動装置に負担させる第１制動力と前記回生電力の消費により前記電動機に発生する制動力で負担する第２制動力とをそれぞれ決定する制動力決定部と、前記制動装置に前記制動力決定部によって決定された前記第１制動力を前記ウインチドラムに対して付与させる制御部と、を備え、前記制動力決定部は、フリーフォールする前記対象物を停止させるときに前記操作制動力導出部によって導出された前記操作制動力が前記必要制動力導出部によって導出された前記必要制動力以上である場合に、前記第１制動力を前記必要制動力以上の所定の制動力に決定する。

この電動ウインチ装置では、フリーフォールする対象物を停止させるために制動操作部が操作されたときに、回生電力消費部から電動機に至る電気系統に発生したフェールにより回生制動による制動力が得られず、その結果、制動操作部の操作量に応じた操作制動力のうち回生制動によって負担すべき第２制動力が得られなくなった場合であっても、操作制動力導出部によって導出された操作制動力が必要制動力導出部によって導出された必要制動力以上であれば、制動装置が必要制動力以上の第１制動力をウインチドラムに対して付与することになるため、対象物を許容停止高さ以上の高さで停止させることができる。従って、この電動ウインチ装置では、回生電力消費部から電動機に至る電気系統にフェールが発生した場合でも、対象物のフリーフォール時に対象物が許容停止高さを超えて降下するのを防止できる。

上記電動ウインチ装置は、前記回生電力消費部が消費可能な電力に相当する回生容量を算出する回生容量算出部と、前記操作制動力から前記必要制動力を差し引いた残りの制動力を前記電動機に生じさせるために必要となる前記回生電力消費部のエネルギ容量である必要容量を算出する必要容量算出部と、をさらに備え、フリーフォールする前記対象物を停止させるときに前記操作制動力が前記必要制動力よりも大きい場合において、前記制動力決定部は、前記回生容量算出部によって算出された前記回生容量が前記必要容量算出部によって算出された前記必要容量以上である場合には前記第１制動力を前記必要制動力に等しい大きさの制動力に決定し、前記回生容量算出部によって算出された前記回生容量が前記必要容量算出部によって算出された前記必要容量よりも小さい場合には前記回生容量に相当する分の前記回生電力の消費により前記電動機に生じる制動力である回生制動力を算出するとともにその算出した回生制動力を前記操作制動力から差し引いた残りの制動力を前記第１制動力として決定することが好ましい。

この構成によれば、フリーフォールする対象物を停止させるときに回生電力消費部の回生容量が操作制動力から必要制動力を差し引いた残りの制動力を電動機に生じさせるために必要となる必要容量に足りない場合であっても、その容量の不足分に対応する制動力を制動装置に負担させることができる。このため、フリーフォールする対象物を停止させるときに回生電力消費部の回生容量が不足している場合でも、制動操作部の操作量に応じた操作制動力を付与して対象物を停止させることができる。

この場合において、前記制動力決定部は、前記操作制動力導出部によって導出された前記操作制動力と、前記回生容量算出部によって算出された前記回生容量と、前記制動操作部の操作開始時点における前記対象物の質量、前記対象物の落下速度及び前記対象物の下方の接地面からの高さと、前記設定部により設定された前記許容停止高さとに基づいて前記回生制動力を算出してもよい。

上記電動ウインチ装置において、前記制動力決定部は、フリーフォールする前記対象物を停止させるときに前記操作制動力導出部によって導出された前記操作制動力が前記必要制動力導出部によって導出された前記必要制動力よりも小さい場合には、前記第１制動力を前記操作制動力に等しい大きさの制動力に決定することが好ましい。

この構成によれば、フリーフォールする対象物を停止させるときに操作制動力が必要制動力よりも小さい場合に制動操作部の操作量に応じた操作制動力をウインチドラムに付与して対象物を停止させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、回生機能を備えたクレーンの電動ウインチ装置において回生電力消費部から電動機に至る電気系統にフェールが発生した場合でも、対象物のフリーフォール時に対象物が許容停止高さを超えて降下するのを防止できる。

本発明の一実施形態による電動ウインチ装置の構成の概略図である。図１に示した電動ウインチ装置のコントローラの詳細な内部構成を示す機能ブロック図である。ブレーキペダルの操作量とその操作量に応じてウインチドラムに付与されるべき制動力との相関関係である操作量−制動力特性を示す図である。対象物のフリーフォールの制動時における電動ウインチ装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

まず、図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態による電動ウインチ装置の構成について説明する。

本実施形態による電動ウインチ装置は、クレーンに設けられ、吊荷１００の巻上／巻下を行う吊荷用ウインチ装置として用いられるものである。本実施形態の電動ウインチ装置が設けられるクレーンは、図略のクレーン本体に起伏可能となるように設けられたブーム２（図１参照）を備えている。ブーム２の先端には、トップシーブ３が設けられている。ブーム２の先端からは、ワイヤロープである吊ロープ４を介してフック装置６が吊り下げられる。フック装置６は、図略のフックシーブを備えており、このフックシーブとトップシーブ３とに吊ロープ４が所定の回数掛け回されている。吊荷１００は、フック装置６によって吊られる。以下、フック装置６及びそれに吊られた吊荷１００を一体として巻上／巻下の対象物１０２という。電動ウインチ装置は、図略のクレーン本体に搭載され、吊ロープ４を介して対象物１０２の巻上／巻下を行う。

以下、本実施形態による電動ウインチ装置の具体的な構成について説明する。

本実施形態の電動ウインチ装置は、後述するように、対象物１０２を自由落下に近い状態で降下させる対象物１０２のフリーフォールを実施可能に構成されているとともに、対象物１０２の降下による運動エネルギを電力に変換して回収する回生機能を備えている。この電動ウインチ装置は、図１に示すように、ドラム１２と、電動機１４と、減速機１６と、インバータ２０と、回生電力消費部２２と、制動装置２４と、操作レバー装置２６と、ブレーキペダル装置２８と、コントローラ３０と、荷重計３２と、ドラム回転計３６と、設定部３８とを備える。

ドラム１２は、電動機１４により駆動されてフック装置６及びそれに吊られた吊荷１００の巻上／巻下のために回転するウインチドラムである。以下、フック装置６及びそれに吊られた吊荷１００を一体として巻上／巻下の対象物１０２という。ドラム１２は、一方の回転方向である巻上方向に回転することにより吊ロープ４を巻き取り、それによって対象物１０２を巻き上げる。また、ドラム１２は、巻上方向と逆の回転方向である巻下方向に回転することにより吊ロープ４を繰り出し、それによって対象物１０２を巻き下げる。対象物１０２のフリーフォール時には、ドラム１２は巻下方向にフリーに回転し、対象物１０２を降下させる。

電動機１４は、電力が供給されることによって作動し、ドラム１２を巻上方向に回転させる。電動機１４は、対象物１０２の巻下時、すなわちドラム１２が巻下方向に回転するときには発電機として機能する。電動機１４の駆動軸１４ａは、減速機１６を介してドラム１２の回転軸１２ａに連結されている。対象物１０２の巻上時には、電動機１４の駆動トルクが駆動軸１４ａから減速機１６及び回転軸１２ａを介してドラム１２に伝達されてドラム１２を巻上方向に回転させる。対象物１０２の巻下時及びフリーフォール時には、ドラム１２の巻下方向への回転力が回転軸１２ａから減速機１６及び駆動軸１４ａを介して電動機１４に伝達されて電動機１４に発電させる。これにより、対象物１０２の降下による運動エネルギが電気エネルギに変換されて回収される回生が行われる。減速機１６は、電動機１４の駆動軸１４ａの回転力を所定の減速比で減速してドラム１２の回転軸１２ａへ伝える。

インバータ２０は、コントローラ３０からの指令に応じて電動機１４の作動を制御する。具体的に、インバータ２０は、コントローラ３０からの指令に応じて電動機１４に供給する電流の大きさを変更することにより、電動機１４の回転数及び回転量を制御し、それによって対象物１０２の巻上速度及び巻上量を制御する。

回生電力消費部２２は、インバータ２０を介して電動機１４に電気接続されている。回生電力消費部２２は、電動機１４で回生された回生電力の少なくとも一部を消費するものである。具体的には、回生電力消費部２２は、電動機１４によって回生された回生電力を蓄電することにより消費する蓄電池である。なお、回生電力消費部２２として、蓄電池と、蓄電池で蓄えきれない回生電力を消費する回生抵抗とを組み合わせたものを用いてもよい。回生電力消費部２２は、蓄えた電力をインバータ２０を介して電動機１４へ供給する。電動機１４で回生された回生電力が回生電力消費部２２で消費されることにより電動機１４に制動力が生じる。このように電動機１４に生じた制動力によりドラム１２の回転を制動することを回生制動という。

制動装置２４は、ドラム１２の巻上方向及び巻下方向への回転を制動する動作を行う機械的な制動装置である。制動装置２４は、コントローラ３０からの制御信号に応じてドラム１２に制動を掛けるとともに、そのコントローラ３０からの制御信号によって指示される制動力をドラム１２に付与する。制動装置２４としては、メカブレーキや油圧クラッチ等が用いられる。

操作レバー装置２６は、電動ウインチ装置による対象物１０２の巻上／巻下の動作を操作者が指示するために用いるものである。操作レバー装置２６は、ドラム１２の巻上方向への回転、巻下方向への回転又は回転の停止を指示するために操作者により操作されるレバー２６ａを備える。レバー２６ａは、ドラム１２の回転の停止を指示する中立位置から対象物１０２の巻上方向へのドラム１２の回転を指示するための一方側である巻上側と、中立位置から対象物１０２の巻下方向へのドラム１２の回転を指示するための他方側（巻上側と反対側）である巻下側とに操作可能となっている。操作レバー装置２６は、レバー２６ａの操作方向と中立位置からの操作量とを示す情報をコントローラ３０へ出力する。

ブレーキペダル装置２８は、対象物１０２のフリーフォール時にその対象物１０２の降下を停止させるための指令をコントローラ３０へ出力する装置である。ブレーキペダル装置２８は、対象物１０２の降下を停止させるために操作者によって操作されるブレーキペダル２８ａを備える。ブレーキペダル２８ａは、本発明による制動操作部の一例である。以下、ブレーキペダル２８ａを単にペダル２８ａという。ブレーキペダル装置２８は、ペダル２８ａの操作状態を示す信号をコントローラ３０へ出力する。具体的に、ペダル２８ａは、操作者によって操作されていない状態、すなわち踏み込まれていない状態では最も浮き上がった基準位置に配置されている。この状態では、ブレーキペダル装置２８は、ペダル２８ａの操作量が０であることを示す信号をコントローラ３０へ出力する。そして、ペダル２８ａが操作者によって基準位置から操作される（踏み込まれる）と、ブレーキペダル装置２８は、そのペダル２８ａの基準位置からの操作量（踏込量）を示す信号をコントローラ３０へ出力する。

コントローラ３０は、ドラム１２がレバー２６ａの操作に応じた回転を行うように電動機１４の動作を制御するとともに、ペダル２８ａの操作に応じた制動装置２４によるドラム１２の制動動作を制御する。具体的には、コントローラ３０は、操作レバー装置２６からレバー２６ａの操作方向及び操作量を示す情報が入力されることに応じて、インバータ２０を制御することにより、電動機１４が操作レバー装置２６から入力された情報に応じた回転をドラム１２に行わせるような電流をインバータ２０から電動機１４に供給させる。また、コントローラ３０は、ブレーキペダル装置２８から入力される信号に応じて制動装置２４の制動動作を制御する。コントローラ３０の詳細な内部構成については、後述する。

荷重計３２は、吊ロープ４を介してドラム１２に掛かる荷重を検出する。具体的には、荷重計３２は、吊ロープ４の張力を検出する。荷重計３２は、吊ロープ４の張力を逐次検出しており、その検出した張力のデータをコントローラ３０へ逐次出力する。

ドラム回転計３６は、ドラム１２の回転量や回転速度を検出するためのものである。例えば、ドラム回転計３６は、ドラム１２の回転軸方向の一方の端面に取り付けられた複数の突起と、ドラム１２の回転軸方向において前記一方の端面及び前記突起の外側の位置に配置された近接センサとによって構成される。複数の突起は、それらが取り付けられたドラム１２の端面において当該ドラム１２の回転軸を中心とした円周に沿って等間隔に配置されている。近接センサは、ドラム１２の回転に伴って当該近接センサに近接した位置を各突起が通過する度にそのことを検出してパルス信号（検出信号）をコントローラ３０へ出力する。コントローラ３０では、入力されるパルス信号に基づいてドラム１２の回転量や回転速度を導出するようになっている。

設定部３８は、対象物１０２のフリーフォール時にその対象物１０２を停止させる必要がある最低の高さである許容停止高さｈを設定するためのものである。設定部３８は、例えば、許容停止高さｈの値を入力するための入力装置である。なお、対象物１０２の高さは、対象物１０２の下方の接地面（着地点）から対象物１０２の下端までの高さのことを意味する。設定部３８により設定された（入力された）許容停止高さｈの値は、設定部３８からコントローラ３０へ送られる。

次に、コントローラ３０の内部構成について説明する。

コントローラ３０は、図２に示すように、記憶部４０を有するとともに、機能ブロックとして、データ取得部４１、操作制動力導出部４２、必要制動力導出部４４、回生容量算出部４６、必要容量算出部４８、制動力決定部５０及び制御部５２を有する。

記憶部４０は、各種データを記憶する。具体的に、記憶部４０は、ペダル２８ａの操作量とその操作量に応じてドラム１２に付与されるべき制動力との相関関係である操作量−制動力特性を記憶する。本実施形態における操作量−制動力特性は、図３に示されているように、ペダル２８ａの基準位置に相当する操作量０の点からペダル２８ａの操作量が僅かに増加した所定の点Ａまでは制動力が０に維持され、その所定の点Ａからペダル２８ａの操作量が増加するにつれて制動力が直線的に増加するという相関関係を示す。ペダル２８ａの操作量が０から所定の点Ａまでの範囲は、ペダル２８ａの遊びに相当する範囲であり、ペダル２８ａが操作されても制動力を付与しない不感領域に相当する。また、記憶部４０は、設定部３８からコントローラ３０へ送られる許容停止高さｈの値を記憶する。

データ取得部４１は、吊作業中のクレーンの動作に係る各種データを取得する。例えば、データ取得部４１は、対象物１０２のフリーフォール時の落下速度、対象物１０２の質量、対象物１０２の高さ、及び、ペダル２８ａの操作量などのデータを取得する。

データ取得部４１は、ドラム回転計３６の近接センサからコントローラ３０に入力されるパルス信号と、ドラム１２の１回転当たりの吊ロープ４の繰り出し量（巻き取り量）と、フックシーブとトップシーブ３に対する吊ロープ４の掛け回し回数とに基づいて対象物１０２の落下速度を取得する。具体的には、データ取得部４１は、ドラム回転計３６の近接センサからコントローラ３０に入力されるパルス信号の単位時間当たりの数をカウントする。このパルス信号の単位時間当たりの数は、ドラム１２の単位時間当たりの回転量（ドラム１２の回転速度）と比例関係にある。データ取得部４１は、カウントしたパルス信号の単位時間当たりの数からこの比例関係に基づいてドラム１２の単位時間当たりの回転量を算出する。そして、データ取得部４１は、算出したドラム１２の単位時間当たりの回転量にドラム１２の１回転当たりの吊ロープ４の繰り出し量を乗じて得た値を吊ロープ４の前記掛け回し回数で除することによって対象物１０２の落下速度を算出する。

また、データ取得部４１は、荷重計３２からコントローラ３０に入力される吊ロープ４の張力のデータから対象物１０２の質量を取得する。

また、データ取得部４１は、ドラム回転計３６の近接センサからコントローラ３０に入力されるパルス信号の数とドラム１２の回転量との比例関係に基づいて、カウントしたパルス信号の数に対応するドラム１２の回転量を算出する。また、データ取得部４１は、操作レバー装置２６からコントローラ３０に入力されるレバー２６ａの操作方向を示す情報に基づいて、算出したドラム１２の回転量が巻上方向又は巻下方向のいずれの回転方向への回転量であるかを取得する。そして、データ取得部４１は、取得したドラム１２の回転方向と関連付けたドラム１２の回転量と、ドラム１２の１回転当たりの吊ロープ４の繰り出し量と、吊ロープ４の前記掛け回し回数とに基づいて、巻上方向又は巻下方向への対象物１０２の高さの変化量を遂次算出する。具体的には、データ取得部４１は、算出したドラム１２の回転量にドラム１２の１回転当たりの吊ロープ４の繰り出し量を乗じて得た値を吊ロープ４の前記掛け回し回数で除することによって対象物１０２の高さの変化量を算出する。データ取得部４１は、対象物１０２が接地面に接触している状態から、対象物１０２の高さの変化量を遂次算出してその履歴を積算することにより、現時点での対象物１０２の接地面からの高さを取得する。

また、データ取得部４１は、ブレーキペダル操作装置２８からコントローラ３０に入力される信号からその信号が示すペダル２８ａの操作量を取得する。

操作制動力導出部４２（図２参照）は、ペダル２８ａの基準位置からの操作量に応じた制動力である操作制動力を導出する。具体的に、操作制動力導出部４２は、記憶部４０に記憶された操作量−制動力特性に基づいて、データ取得部４１により取得されたペダル２８ａの操作量に対応する操作制動力を導出する。すなわち、操作制動力導出部４２は、ブレーキペダル装置２８からコントローラ３０に入力される信号が示すペダル２８ａの操作量に対応した操作制動力を導出する。

必要制動力導出部４４（図２参照）は、フリーフォールする対象物１０２（図１参照）を許容停止高さｈで停止させるためにドラム１２に付与することが必要な制動力である必要制動力を導出する。

回生容量算出部４６（図２参照）は、回生電力消費部２２（図１参照）が消費可能な電力に相当するエネルギ容量である回生容量を算出する。

必要容量算出部４８（図２参照）は、操作制動力から必要制動力を差し引いた残りの制動力を回生制動によって負担するために必要となる回生電力消費部２２（図１参照）のエネルギ容量である必要容量を算出する。

制動力決定部５０は、操作制動力導出部４２によって導出された操作制動力のうち制動装置２４に負担させる第１制動力と回生制動によって負担する第２制動力とをそれぞれ決定する。

具体的には、制動力決定部５０は、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに操作制動力導出部４２によって導出された操作制動力が必要制動力導出部４４によって導出された必要制動力以上である場合には、必要制動力以上の所定の制動力を第１制動力として決定し、その第１制動力を操作制動力から差し引いた残りの制動力を第２制動力として決定する。

より具体的には、制動力決定部５０は、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに操作制動力導出部４２によって導出された操作制動力が必要制動力導出部４４によって導出された必要制動力と等しい場合には、その必要制動力と等しい操作制動力を第１制動力として決定する。この場合、第１制動力を操作制動力から差し引いた残りの制動力は０になるため、第２制動力を０に決定する。

また、制動力決定部５０は、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに操作制動力導出部４２によって導出された操作制動力が必要制動力導出部４４によって導出された必要制動力よりも大きい場合には、回生容量算出部４６によって算出された回生容量と必要容量算出部４８によって算出された必要容量との大小関係に応じて、第１制動力と第２制動力とをそれぞれ決定する。具体的には、この場合において、回生容量算出部４６によって算出された回生容量が必要容量算出部４８によって算出された必要容量以上である場合には、制動力決定部５０は、必要制動力導出部４４によって導出された必要制動力を第１制動力として決定し、その必要制動力を操作制動力導出部４２によって導出された操作制動力から差し引いた残りの制動力を第２制動力として決定する。また、回生容量算出部４６によって算出された回生容量が必要容量算出部４８によって算出された必要容量よりも小さい場合には、制動力決定部５０は、回生容量分の回生電力が消費された場合に電動機１４に生じる回生制動力を算出する。そして、その算出した回生制動力を操作制動力導出部４２によって導出された操作制動力から差し引いた残りの制動力を第１制動力として決定し、その算出した回生制動力を第２制動力として決定する。

また、制動力決定部５０は、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに操作制動力導出部４２によって導出された操作制動力が必要制動力導出部４４によって導出された必要制動力よりも小さい場合には、操作制動力導出部４２によって導出された操作制動力を第１制動力として決定する。この場合、第１制動力を操作制動力から差し引いた残りの制動力は０になるため、第２制動力を０に決定する。

制御部５２は、制動装置２４に制動力決定部５０によって決定された第１制動力をドラム１２に対して付与させる。すなわち、制御部５２は、制動装置２４が制動力決定部５０によって決定された第１制動力をドラム１２に対して付与するように制動装置４２の制動動作を制御する。

次に、図４のフローチャートを参照して、本実施形態による電動ウインチ装置の動作について説明する。具体的には、フリーフォールさせた対象物１０２を停止させるときの電動ウインチ装置の動作について説明する。なお、図４のフローチャートは、本実施形態による電動ウインチ装置の動作制御についての１周期分の制御プロセスを示している。

まず、対象物１０２のフリーフォールが行われる前に、予め、設定部３８により許容停止高さｈの値が設定される。許容停止高さｈは、例えば、対象物１０２の下方に進入する可能性のある車両や作業者の高さよりも大きい高さに設定される。設定部３８により設定された許容停止高さｈは、コントローラ３０の記憶部４０に記憶される。

そして、対象物１０２のフリーフォールが行われ、所定のタイミングで操作者が対象物１０２の降下を停止させるためにブレーキペダル装置２８のペダル２８ａを基準位置から踏み込む。これにより、ブレーキペダル装置２８からコントローラ３０へペダル２８ａの基準位置からの操作量（踏込量）を示す信号が入力される。

この後、コントローラ３０のデータ取得部４１が、各種データを取得する。ここでは、データ取得部４１は、ブレーキペダル装置２８からの信号がコントローラ３０に入力されたことに応じて、その時点での対象物１０２の落下速度と、対象物１０２の質量と、その時点での対象物１０２の接地面からの高さと、ペダル２８ａの操作量とを取得する（ステップＳ１）。具体的に、データ取得部４１は、ドラム回転計３６の近接センサから入力されるパルス信号に基づいて、上述した方法により対象物１０２の落下速度及び対象物１０２の接地面からの高さを取得する。また、データ取得部４１は、荷重計３２からコントローラ３０に入力される吊ロープ４の張力のデータから対象物１０２の質量を取得する。また、データ取得部４１は、ブレーキペダル装置２８からコントローラ３０に入力される信号からペダル２８ａの操作量（踏込量）を取得する。取得された各データは、記憶部４０に記憶される。

次に、コントローラ３０の操作制動力導出部４２が、ペダル２８ａの基準位置からの操作量に応じた操作制動力Ｆを導出する（ステップＳ２）。具体的には、操作制動力導出部４２は、記憶部４０に記憶された操作量−制動力特性（図３参照）に基づいて、上記ステップＳ１で取得されたペダル２８ａの操作量に対応する制動力を操作制動力Ｆとして導出する。

その後、コントローラ３０の必要制動力導出部４４は、現在フリーフォールしている対象物１０２を許容停止高さｈで停止させるために必要な必要制動力Ｆ_ｈを算出する（ステップＳ３）。具体的には、必要制動力導出部４４は、次式（１）に基づいて必要制動力Ｆ_ｈを算出する。なお、ｖ_０は上記ステップＳ１で取得された対象物１０２の落下速度であり、ｍは上記ステップＳ１で取得された対象物１０２の質量であり、Ｈは上記ステップＳ１で取得された対象物１０２の高さであり、ｇは重力加速度である。必要制動力導出部４４は、記憶部４０に記憶されたこれらの値及び許容停止高さｈの値を用いて必要制動力Ｆ_ｈを算出する。

次に、コントローラ３０の制動力決定部５０は、必要制動力導出部４４によって算出された必要制動力Ｆ_ｈと上記ステップＳ２で操作制動力導出部４２によって導出された操作制動力Ｆとを比較してそれらの大小関係を判定する（ステップＳ４）。

制動力決定部５０は、操作制動力Ｆが必要制動力Ｆ_ｈよりも小さいと判定した場合には、操作制動力Ｆを制動装置２４に負担させる第１制動力として決定するとともに、回生制動によって負担する第２制動力を０に決定する（ステップＳ５）。なお、この場合は、操作者がペダル２８ａの操作量を操作制動力Ｆが必要制動力Ｆ_ｈよりも小さくなるように意図的に調節して対象物１０２を許容停止高さｈよりも低い高さに停止させる場合に相当する。

また、制動力決定部５０は、操作制動力Ｆが必要制動力Ｆ_ｈと等しいと判定した場合も、操作制動力Ｆを制動装置２４に負担させる第１制動力として決定するとともに、回生制動によって負担する第２制動力を０に決定する（ステップＳ６）。

また、制動力決定部５０は、操作制動力Ｆが必要制動力Ｆ_ｈよりも大きいと判定した場合には、次に、回生容量算出部４６によりこの時点で回生電力消費部２２によって消費可能な電力である回生容量Ｅ_ｃが算出される（ステップＳ７）。具体的には、本実施形態のように回生電力消費部２２が蓄電池のみからなる場合には、回生容量算出部４６は、その蓄電池の充電状況を検知してその蓄電池に充電可能な残容量を回生容量Ｅ_ｃとして算出する。また、回生電力消費部２２が蓄電池と回生抵抗との組み合わせからなる場合には、回生容量算出部４６は、蓄電池の残容量と回生抵抗により消費可能な電力との合算により回生容量Ｅ_ｃを算出する。

その後、操作制動力Ｆから必要制動力Ｆ_ｈを差し引いた残りの制動力を回生制動によって負担するために必要となる必要容量Ｅ_ｂが必要容量算出部４８により算出される（ステップＳ８）。具体的に、必要容量算出部４８は、まず、操作制動力Ｆと必要制動力Ｆ_ｈとの差分の制動力（Ｆ−Ｆ_ｈ）を算出するとともに、この算出した制動力（Ｆ−Ｆ_ｈ）を回生制動によって得るために回生電力消費部２２に必要とされる必要容量Ｅ_ｂを次式（２）に基づいて算出する。

次に、制動力決定部５０は、上記ステップＳ７で算出された回生容量Ｅ_ｃと上記ステップＳ８で算出された必要容量Ｅ_ｂとの大小関係を判定する（ステップＳ９）。

制動力決定部５０は、回生容量Ｅ_ｃが必要容量Ｅ_ｂ以上であると判定した場合には、上記ステップＳ３で必要制動力導出部４４により導出された必要制動力Ｆ_ｈを制動装置２４に負担させる第１制動力として決定するとともに、上記差分の制動力（Ｆ−Ｆ_ｈ）を回生制動によって負担する第２制動力として決定する（ステップＳ１０）。なお、回生容量Ｅ_ｃが必要容量Ｅ_ｂ以上である場合は、回生電力消費部２２が上記差分の制動力（Ｆ−Ｆ_ｈ）を回生制動によって負担し得る容量を備えている場合に相当する。

一方、制動力決定部５０は、回生容量Ｅ_ｃが必要容量Ｅ_ｂよりも小さいと判定した場合には、回生容量Ｅ_ｃに相当する分の回生電力の消費により電動機１４に生じる制動力Ｆ_ｒ（回生制動力Ｆ_ｒ）を算出する（ステップＳ１１）。具体的には、制動力決定部５０は、次式（３）を満たす回生制動力Ｆ_ｒを算出する。なお、回生容量Ｅ_ｃが必要容量Ｅ_ｂよりも小さい場合は、上記差分の制動力（Ｆ−Ｆ_ｈ）を回生制動によって負担するには回生電力消費部２２のエネルギ容量（消費可能な電力量）が不足している場合に相当する。

そして、制動力決定部５０は、算出した回生制動力Ｆ_ｒを操作制動力Ｆから差し引いた残りの制動力（Ｆ−Ｆ_ｒ）を制動装置２４に負担させる第１制動力として決定するとともに、算出した回生制動力Ｆ_ｒを回生制動によって負担する第２制動力として決定する（ステップＳ１２）。なお、前記制動力（Ｆ−Ｆ_ｒ）は、必要制動力Ｆ_ｈよりも大きい値である。

最後に、制御部５２は、制動装置２４が制動力決定部５０によって決定された第１制動力をドラム１２に対して付与するように制動装置２４の制動動作を制御する（ステップＳ１３）。これにより、上記ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ１０又はＳ１２で決定された第１制動力が、制動装置２４によってドラム１２に付与される。また、上記ステップＳ１０又はＳ１２の後には、それらのステップで決定された第２制動力が、回生電力消費部２２での回生電力の消費によって電動機１４に生じる。結果、ドラム１２に対してペダル２８ａの操作量に応じた操作制動力Ｆが付与される。

その後、上記ステップＳ１以降の処理が繰り返し行われる。これにより、ペダル２８ａの操作量が変化したときには、その変化した操作量に応じた操作制動力Ｆがドラム１２に対して付与される。

以上のようにして、操作者によるペダル２８ａの操作に応じた操作制動力がドラム１２に付与され、結果的に対象物１０２のフリーフォールが停止される。

以上説明したように、本実施形態による電動ウインチ装置では、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに操作制動力Ｆが必要制動力Ｆ_ｈ以上である場合には、制動装置２４が必要制動力Ｆ_ｈ以上の第１制動力をドラム１２に対して付与する。このため、フリーフォールする対象物１０２を停止させるためにペダル２８ａが操作されたときに、回生電力消費部２２から電動機１４に至る電気系統に発生したフェールにより回生制動による制動力が得られず、その結果、ペダル２８ａの操作量に応じた操作制動力のうち回生制動によって負担すべき第２制動力が得られない場合であっても、制動装置２４が必要制動力Ｆ_ｈ以上の第１制動力をドラム１２に対して付与することにより対象物１０２を許容停止高さｈ以上の高さで停止させることができる。従って、本実施形態による電動ウインチ装置では、回生電力消費部２２から電動機１４に至る電気系統にフェールが発生した場合でも、対象物１０２のフリーフォール時に対象物１０２が許容停止高さｈを超えて降下するのを防止できる。

また、本実施形態による電動ウインチ装置では、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに操作制動力Ｆが必要制動力Ｆ_ｈよりも大きい場合において、回生電力消費部２２の回生容量Ｅ_ｃが必要容量Ｅ_ｂよりも小さい場合には、制動力決定部５０が、必要容量Ｅ_ｂに相当する分の回生電力が消費された場合に電動機１４に生じる回生制動力Ｆ_ｒを算出するとともに、その算出された回生制動力Ｆ_ｒを操作制動力Ｆから差し引いた残りの制動力（Ｆ−Ｆ_ｒ）を制動装置２４がドラム１２に対して付与する。従って、本実施形態の電動ウインチ装置では、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに回生電力消費部２２の回生容量Ｅ_ｃが不足している場合であっても、その容量の不足分に対応する制動力を制動装置２４に負担させることができる。このため、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに回生電力消費部２２の回生容量Ｅ_ｃが不足している場合でも、ペダル２８ａの操作量に応じた操作制動力Ｆをドラム１２に付与して対象物１０２を停止させることができる。

また、本実施形態による電動ウインチ装置では、フリーフォールする対象物１０２を停止させるときに操作制動力Ｆが必要制動力Ｆ_ｈよりも小さい場合には、制動装置２４に操作制動力Ｆに等しい制動力をドラム１２に対して付与させる。従って、この場合も、操作者によるペダル２８ａの操作量に応じた操作制動力Ｆをドラム１２に付与して対象物１０２を停止させることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、巻上／巻下の対象物としては、上述のようなフック装置と吊荷を一体としたものに限定されない。例えば、クラムシェルのようなバケットが対象物であってもよい。そして、そのバケットをフリーフォールさせて掘削作業を行うようなクレーンの電動ウインチ装置に本発明が適用されてもよい。

１２ドラム（ウインチドラム）
１４電動機
２２回生電力消費部
２４制動装置
２６ａレバー（操作レバー）
２８ａブレーキペダル（制動操作部）
３０コントローラ
３８設定部
４２操作制動力導出部
４４必要制動力導出部
４６回生容量算出部
４８必要容量算出部
５０制動力決定部
５２制御部

Claims

クレーンに設けられて対象物の巻上及び巻下を行う電動ウインチ装置であって、
電動機と、
前記電動機により駆動されて前記対象物の巻上のために回転するウインチドラムと、
前記ウインチドラムの回転を制動する制動装置と、
前記対象物の降下を停止させるために操作される制動操作部と、
前記対象物の降下時に前記電動機により回生される回生電力の少なくとも一部を消費して前記電動機に前記ウインチドラムの回転に対する制動力を発生させる回生電力消費部と、
前記対象物のフリーフォール時にその対象物を停止させる必要がある最低の高さである許容停止高さを設定するための設定部と、
前記制動操作部の操作量に応じた制動力である操作制動力を導出する操作制動力導出部と、
フリーフォールする前記対象物を前記設定部により設定された前記許容停止高さに停止させるために必要な制動力である必要制動力を導出する必要制動力導出部と、
前記操作制動力のうち前記制動装置に負担させる第１制動力と前記回生電力の消費により前記電動機に発生する制動力で負担する第２制動力とをそれぞれ決定する制動力決定部と、
前記制動装置に前記制動力決定部によって決定された前記第１制動力を前記ウインチドラムに対して付与させる制御部と、を備え、
前記制動力決定部は、フリーフォールする前記対象物を停止させるときに前記操作制動力導出部によって導出された前記操作制動力が前記必要制動力導出部によって導出された前記必要制動力以上である場合に、前記第１制動力を前記必要制動力以上の所定の制動力に決定する、電動ウインチ装置。
前記回生電力消費部が消費可能な電力に相当する回生容量を算出する回生容量算出部と、
前記操作制動力から前記必要制動力を差し引いた残りの制動力を前記電動機に生じさせるために必要となる前記回生電力消費部のエネルギ容量である必要容量を算出する必要容量算出部と、をさらに備え、
フリーフォールする前記対象物を停止させるときに前記操作制動力が前記必要制動力よりも大きい場合において、前記制動力決定部は、前記回生容量算出部によって算出された前記回生容量が前記必要容量算出部によって算出された前記必要容量以上である場合には前記第１制動力を前記必要制動力に等しい大きさの制動力に決定し、前記回生容量算出部によって算出された前記回生容量が前記必要容量算出部によって算出された前記必要容量よりも小さい場合には前記回生容量に相当する分の前記回生電力の消費により前記電動機に生じる制動力である回生制動力を算出するとともにその算出した回生制動力を前記操作制動力から差し引いた残りの制動力を前記第１制動力として決定する、請求項１に記載の電動ウインチ装置。
前記制動力決定部は、前記操作制動力導出部によって導出された前記操作制動力と、前記回生容量算出部によって算出された前記回生容量と、前記制動操作部の操作開始時点における前記対象物の質量、前記対象物の落下速度及び前記対象物の下方の接地面からの高さと、前記設定部により設定された前記許容停止高さとに基づいて前記回生制動力を算出する、請求項２に記載の電動ウインチ装置。
前記制動力決定部は、フリーフォールする前記対象物を停止させるときに前記操作制動力導出部によって導出された前記操作制動力が前記必要制動力導出部によって導出された前記必要制動力よりも小さい場合には、前記第１制動力を前記操作制動力に等しい大きさの制動力に決定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動ウインチ装置。