JP4572224B2

JP4572224B2 - クレーンの振れ止め制御方法および振れ止め制御システム

Info

Publication number: JP4572224B2
Application number: JP2007254381A
Authority: JP
Inventors: 康弘岩倉; 正一市原
Original assignee: 大都電機株式会社
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009083977A

Description

本発明は、クレーンの旋回時に生ずる吊荷の振れを止める振れ止め制御方法および振れ止め制御システムに関する。

ワイヤにより吊荷を吊り下げた状態でクレーンを旋回させると振子運動により吊荷に振れが生じ、特に、大型のタワークレーンをダム工事で用いる場合、旋回半径や吊長は大きく設定されることが多いために前記振れの度合いも大きなものとなり、旋回終了時点でこの振れを抑えるクレーン操作は、オペレータにとって熟練した技術を要する。

この問題を課題とした従来技術の一例として特許文献１が挙げられる。特許文献１に記載の技術は、同文献の段落［０００７］に記載されるように、加速開始時のワイヤの吊り長さに基づく振子運動の周期と、加速終了時のワイヤの吊り長さに基づく振子運動の周期との平均値の略整数倍の時間の間、ブームを加速しながら旋回させ、加速終了後は等速で移動させることにより、ワイヤの上支点と吊荷とを等速で移動させて吊荷の振れを抑制し、段落［０００９］に記載されるように、減速開始時のワイヤの吊り長さに基づく振子運動の周期と、減速終了時のワイヤの吊り長さに基づく振子運動の周期との平均値の略整数倍の時間の間、ブームを減速しながら旋回させ、減速終了後に停止させることにより、吊荷を振れることなく目的地点に停止させるものである。
特許第３２４１５９１号公報

クレーンを旋回させると吊荷には遠心力が作用するため、吊荷の振れは円周方向の振れに半径方向の振れが合成されたものとなり、吊荷は略楕円状の軌跡を描いて移動する。

しかしながら、前記特許文献１の技術は、吊荷に作用する遠心力、つまり半径方向の振れの問題は考慮しておらず、円周方向の速度変化即ち加速度のみに着目してなされた技術であり、クレーンが旋回して吊荷に半径方向の振れが生じた場合には、特許文献１の技術では目的地点で所定の振れの抑制効果が期待できないおそれがある。

本発明はこのような問題を解決するために創作されたものであり、半径方向の振れも考慮され、旋回終了地点における吊荷の振れの抑制効果に優れたクレーンの振れ止め制御方法および振れ止め制御システムを提供することを目的としている。

本発明は、前記課題を解決するため、ジブを旋回させてワイヤで吊った吊荷を運搬するクレーンにおいて、ジブを旋回半径一定として加速区間、等速区間、減速区間の順で旋回させ、加速区間および減速区間の運転時間を、互いに同一の時間であって、吊荷の振子運動の周期Ｔoの略整数倍に設定するとともに、加速区間の終了時点から、遠心力により生じる吊荷の半径方向の振動で最初の最大振れ変位になるまでの時間差を「（Δ／２）・Ｔo」として、等速区間の運転時間を「（ｎ＋Δ）・Ｔo」（ｎ：０以上の整数）に設定することにより、停止地点における吊荷の振れを止めることを特徴とするクレーンの振れ止め制御方法とした。

また本発明は、ジブを旋回させてワイヤで吊った吊荷を運搬するクレーンにおいて、ジブを旋回半径一定として加速区間、等速区間、減速区間の順で旋回させ、加速区間および減速区間の運転時間を、互いに同一の時間であって、吊荷の振子運動の周期Ｔoの略整数倍に設定するとともに、加速区間の終了時点から、遠心力により生じる吊荷の半径方向の振動で最初の最大振れ変位になるまでの時間差を「（Δ／２）・Ｔo」として、等速区間の運転時間を「（ｎ＋Δ）・Ｔo」（ｎ：０以上の整数）に設定する演算部を有することを特徴とするクレーンの振れ止め制御システムとした。

以上の振れ止め制御方法および振れ止め制御システムによれば、加速区間および減速区間の運転時間を吊荷の振子運動の周期Ｔoの略整数倍に設定することで、先ず円周方向の振れが抑制される。
また、加速時の遠心力により吊荷には半径方向の振動が発生し、加速区間の終了時点での半径方向変位と、等速区間において最初に訪れる半径方向外側の最大振れ幅の半径方向変位との間に時間差（Δ／２）・Ｔoが発生する。そこで、等速区間の運転時間として、加速区間が終了した直後の時間差（Δ／２）・Ｔoと、これと対称的に設けた減速区間の開始直前の時間差（Δ／２）・Ｔoとを加えた時間差Δ・Ｔoを最小とし、これに適宜に周期Ｔoの略整数倍を加えた時間、すなわちｔｐ＝（ｎ＋Δ）・Ｔoに設定する。減速区間の加速度は加速区間のそれと同一に設定されるから、減速区間の間に時間差（Δ／２）・Ｔoの分の振れが打ち消され、吊荷が停止したときに半径方向の振れが抑えられる。

本発明によれば、旋回終了地点における吊荷の振れの抑制効果に優れ、クレーンの運搬サイクルタイムの短縮化が図れる。

以下、本発明をダム工事におけるタワークレーンに適用した形態について説明する。図１、図２は共にダム周辺をコンクリート打設する際のタワークレーンおよび付帯設備の配置例を示しており、図１は側面図、図２は平面図である。先ず、タワークレーン３の動作の概略を説明すると、バンカ線１上をトランスファーカ２により運ばれる生コンクリートは、タワークレーン３のジブ４の先端からワイヤ５を介して吊り下げられたバケット６（吊荷）に移載される。

移載完了後、ワイヤ５を数メートル等、所定量巻き上げてバケット６を上昇させ、これをＡ地点とする。このバケット６の上昇位置を一定とし、つまりワイヤ５の長さを一定とし、Ａ地点を旋回開始地点としてジブ４を旋回させ、ダム堤体７の上方に位置するＢ地点を旋回終了地点とする。Ａ地点からＢ地点までの旋回半径Ｒは一定である。なお、図１では施工初期段階のダム堤体７を実線で示しており、次第に形成されていく様を仮想線で示している。

そして、例えばＢ地点からワイヤ５を巻き下げてバケット６を降下させ、ダム堤体７のコンクリート打設現場に設けたホッパ８に生コンクリートを移載する。ホッパ８への移載完了後は以上の動作と逆となり、ワイヤ５を巻き上げ、空となったバケット６をＢ地点からＡ地点まで移動させ、ワイヤ５を巻き下げてバケット６をトランスファーカ２からの移載箇所まで降下させる。以上のタワークレーン３の動作サイクルにおいて、本発明は、旋回終了直後のＢ地点およびＡ地点におけるバケット６の振れを抑制することを目的とするものである。

図３は本発明に係る振れ止め制御システムの構成ブロック図であり、振れ止め制御システムは、以下に記す各検出手段、演算部１７、出力制御部１８を備える。

「ジブ４の起伏角度φ、旋回半径Ｒの検出手段」
ジブ４の起伏角度φを検出するセンサとして、ジブ４の根元に磁気スケール等からなる角度検出器１１が取り付けられ、その出力信号は演算部１７に出力される。演算部１７では、予め入力されたジブ４の長さと角度検出器１１の出力信号とからジブ４の旋回半径Ｒが求められる。

「ジブ４の旋回角度θの検出手段」
ジブ４の旋回角度θを検出するセンサとして、ジブ４の旋回用電動機２０のピニオンギヤーをカウントするセンサ等からなる角度検出器１２が取り付けられ、その出力信号は演算部１７に出力される。

「ジブ４の旋回速度Ｖの検出手段」
ジブ４の旋回速度Ｖを検出するセンサとして、ジブ４の旋回用電動機２０にタコジェネレータ等からなる速度検出器１３が取り付けられ、その出力信号は演算部１７に出力される。

「ワイヤ５の巻き上げ・巻き下げ速度の検出手段」
ワイヤ５の巻き上げ・巻き下げ速度を検出するセンサとして、ワイヤ５の巻き取り用電動機２１にタコジェネレータ等からなる速度検出器１５が取り付けられ、その出力信号は演算部１７に出力される。

「ワイヤ５の巻き上げ・巻き下げ距離の検出手段」
ワイヤ５の巻き上げ・巻き下げ距離を検出するセンサとして、ワイヤ５の巻き取り用電動機２１又は巻上げ・下げドラムに磁気スケール等からなる距離検出器１６が取り付けられ、その出力信号は演算部１７に出力される。

「演算部１７、出力制御部１８」
演算部１７はＣＰＵから構成され、後記する各演算処理を行う。出力制御部１８は、演算部１７の演算結果に基づき、各電動機に制御信号を出力する。

次いで、加速時の遠心力によりバケット６には半径方向の振動が発生するが、バケット６がＡ地点からＢ地点に到達したときにこの振動が抑制される理由について説明する。図４はＡ地点からＢ地点までのジブ４の旋回周速度の変化を示すグラフであり、縦軸が速度、横軸が時間である。ジブ４のＡ地点からＢ地点までの移動区間は、加速区間と等速区間と減速区間の３つに分けられる。前記特許文献１では、加速区間、減速区間の時間をそれぞれ吊荷の振子運動の周期の略整数倍として決定し、等速区間における、旋回時間、旋回速度の値は任意（例えば同文献の段落［００２２］に記載されているようにクレーンの最大旋回角速度にする等）であるのに対し、本発明では、等速区間における旋回速度Ｖo、等速運転時間ｔｐを以下の方法で求める。

ジブ４の先端の旋回半径（バケット６の旋回半径）Ｒは式（１）により求められる。
Ｒ＝Ｌ・ｃｏｓφ …式（１）
Ｌ：ジブ４の長さ
φ：ジブ４の起伏角度

バケット６の振子運動の固有角速度ωは、
ω＝（ｇ／Ｈ）^１／２ …式（２）
ｇ：重力加速度
Ｈ：ジブ４の先端からバケット６までの距離（振子長さ）
により求められ、バケット６の振子運動の周期Ｔoは式（３）により求められる。
Ｔo＝２π／ω …式（３）
バケット６の円周方向の振れをなくすため、加速区間、減速区間の運転時間はそれぞれ振子運動の周期Ｔoの略整数倍とし、ここでは式（３）で求めた１周期のＴoを加速区間、減速区間の運転時間とする。なお、加速区間、減速区間の運転時間を振子運動の周期Ｔoの略整数倍とすることで円周方向の振れが抑制されることは、例えば特許文献１にも記載されているように公知であるから、ここではその具体的な説明は省略する。

次いで、ジブ４の先端の旋回速度Ｖoを式（４）により求める。
Ｖo＝Ｓ／｛（ｎ＋Δ）・Ｔo＋Ｔo} …式（４）
Ｓ：Ａ地点からＢ地点までのジブ４の先端の円周移動距離
ｎ：０以上の整数
Δ：時間差係数
ｎを変化させて、Ｖo≦Ｖａ（旋回用電動機２０の最大旋回速度）の範囲で最適となる一定速度となる旋回速度Ｖoを決定する。通常は、タワークレーン３のサイクルタイムの短縮化の点から、Ｖａ以下で最大となる旋回速度Ｖoに設定する。

旋回速度Ｖoが決定されることにより、加速区間、減速区間の加速度ａは、
ａ＝Ｖo／Ｔo …式（５）
で求められる。
等速運転時間ｔｐは、
ｔｐ＝（ｎ＋Δ）・Ｔo …式（６）
で求められる。
以上により、ジブ４の全旋回時間ｔｔは、
ｔｔ＝ｔｐ＋２Ｔo …式（７）
として決定される。

以下、時間差係数Δについて説明する。
バケット６に関する加速時の運動方程式は式（８）、式（９）となる。

式（８）の一般解は、ｘ＝ａ（ｃｏｓωｔ−１）／ω^２となり、したがって、円周方向速度は、ｄｘ／ｄｔ＝−（ａ・ｓｉｎωｔ）／ωとなる。ωは振子運動の固有角速度である。これを用いて式（９）を解くことにより、加速終了時の半径方向振れ変位ｙ_ｔ＝Ｔoと半径方向速度（ｄｙ／ｄｔ）_ｔ＝Ｔoは、それぞれ式（１０）、式（１１）で与えられる。

次に、これらの値を用いて等速区間開始時における半径方向の振動の時間差係数Δ／２を求める。時間差係数Δ／２はΔに関する式（１２）から求めることができる。また、半径方向の振動の振幅Ａは式（１３）で与えられる。

以上の式（１２）、（１３）から、等速運転時間ｔｐに関する前記式（６）が求められる。

図５は、バケット６がＡ地点からＢ地点まで移動する際の、半径方向の振動変化を示すグラフであり、縦軸が半径方向振れ変位、横軸が時間である。また、図６は、バケット６がＡ地点からＢ地点まで移動する際の、半径方向の振動変化を示す平面説明図である。図５および図６から、バケット６は、Ｖo^２／（Ｒω^２）を中心に振幅Ａで振動しており、加速区間の終了するＴo経過時の変位ｙは半径方向外側の最大振れ幅の変位とはならず、時間差（Δ／２）・Ｔoだけ半径方向内側寄りに位置していることが分かる。つまり、時間差（Δ／２）・Ｔoとは、加速区間の終了時点から、遠心力により生じる吊荷の半径方向の振動で最初の最大振れ変位になるまでの時間差をいう。したがって、この時間差（Δ／２）・Ｔoが存在するため、等速区間の運転時間を単に振子運動の周期Ｔoの略整数倍に設定しただけでは、Ｂ地点で半径方向の振れは収まらない。

これに対して、本発明では、等速区間の運転時間を、加速区間が終了した直後の時間差（Δ／２）・Ｔoと、これを打ち消すために対称的に設けた減速区間の開始直前の時間差（Δ／２）・Ｔoとを加えた時間差Δ・Ｔoを最小とし、これに適宜に周期Ｔoの略整数倍を加えた時間、すなわちｔｐ＝（ｎ＋Δ）・Ｔoに設定する。減速区間の加速度は加速区間のそれと同一に設定されているから、減速区間の間に時間差（Δ／２）・Ｔoの分の振れが打ち消されることになり、Ｂ地点でバケット６が停止したときに半径方向の振れは発生しない。なお、図５、図６では、ｎ＝３とした場合を示している。

以下、本発明を適用したタワークレーン３の動作を説明する。先ず、タワークレーン３を自動運転させるにあたり、打設位置の決定等を手動で行う準備操作について説明する。
タワークレーン３を任意の位置から運転開始状態とする場合、図１において、ジブ４の旋回動作とジブ４の起伏動作およびワイヤ５の巻き下げ動作をオペレータが手動で操作し、ホッパ８が位置するＣ地点までバケット６を移動させる。このＣ地点が旋回角度θの基準位置およびジブ４の起伏角度φの基準位置となる。そして、ジブ４の起伏角度φはそのままで、ジブ４をトランスファーカ２からの移載箇所の上方まで旋回させ、一旦ワイヤ５を下げてバケット６をトランスファーカ２からの移載箇所に位置させる。

この間にジブ４の旋回した角度が角度検出器１２により検出され、演算部１７において旋回角度θが算出される。また、ジブ４の起伏角度φは角度検出器１１により検出され、演算部１７において、前記式（１）に基づいて旋回半径Ｒが算出される。以降、式（２）〜式（１３）を用いて説明した手順により、演算部１７において、式（３）の加速区間、減速区間の時間Ｔo（Ｔoの略整数倍であってもよい）、式（４）の等速の旋回速度Ｖo、式（５）の加速区間、減速区間の加速度ａ、式（６）の等速運転時間ｔｐ、式（７）の全旋回時間ｔｔが算出され、図４に示した速度グラフが決定される。

次いで、タワークレーン３の自動運転の動作について説明する。
「（１）バンカ線１上におけるワイヤ５の巻き上げ」
トランスファーカ２からバケット６へ生コンクリートを移載完了した旨の信号を受け、オペレータが本発明に係る振れ止め制御システムを作動させると、距離検出器１６から出力信号が出力され、演算部１７の演算処理の基づいて、バケット６がＡ地点に位置するまでワイヤ５が巻き上げられる。

「（２）ジブ４の旋回（往路）」
バケット６がＡ地点に達するのと前後して、演算部１７では式（２）〜式（１３）に基づいた演算処理がなされ、先ず、Ｔoの時間をかけて旋回速度Ｖoまで加速するように出力制御部１８が旋回用電動機２０を制御する。そして、速度検出器１３の出力信号が演算部１７で監視され、旋回速度Ｖoとなった時点で出力制御部１８は旋回速度Ｖoを維持するように旋回用電動機２０を制御する。加速区間の時間は振子の周期Ｔo（若しくは周期Ｔoの略整数倍）であるため、旋回速度Ｖoに達した時点でバケット６の円周方向の振れは取り除かれる。

旋回速度Ｖoに達した時点から、式（６）で求めた等速運転時間ｔｐ経過後、加速区間と同じ加速度で減速してＢ地点で停止するように、つまりＴoの時間をかけてＢ地点で停止するように出力制御部１８が旋回用電動機２０を制御する。等速運転時間ｔｐは（ｎ＋Δ）Ｔoに設定されているので、Ｂ地点でバケット６は楕円運動が発生することなく停止する。これにより、タワークレーン３の運搬サイクルタイムの短縮化が図れる。

「（３）ホッパ８上におけるワイヤ５の巻き下げ」
Ｂ地点で停止後、演算部１７より出力制御部１８にワイヤ５の巻き下げ指令が出され、出力制御部１８の制御により巻き取り用電動機２１がワイヤ５を下げる。速度検出器１５、距離検出器１６等の出力信号が監視され、バケット６がＣ地点に達したら巻き取り用電動機２１を停止させる。

「（４）生コンクリートの放出」
バケット６内の生コンクリートはホッパ８に自動放出され、放出完了の信号がオペレータに伝達される。

「（５）ホッパ８上におけるワイヤ５の巻き上げ」
生コンクリートの放出完了の信号を受け、オペレータが振れ止め制御システムを作動させると、演算部１７より出力制御部１８にワイヤ５の巻き上げ指令が出され、出力制御部１８の制御により巻き取り用電動機２１がワイヤ５を巻き上げる。速度検出器１５、距離検出器１６等の出力信号が監視され、バケット６がＢ地点に達したら巻き取り用電動機２１を停止させる。

「（６）ジブ４の旋回（復路）」
ジブ４の先端からバケット６までの距離Ｈは往路と変わらないので、往路のときと同様に、Ｔoの時間をかけて旋回速度Ｖoまで加速するように出力制御部１８が旋回用電動機２０を制御する。そして、速度検出器１３の出力信号が演算部１７で監視され、旋回速度Ｖoとなった時点で出力制御部１８は旋回速度Ｖoを維持するように旋回用電動機２０を制御する。旋回速度Ｖoに達した時点でバケット６の円周方向の振れは取り除かれる。

旋回速度Ｖoに達した時点から、式（６）で求めた等速運転時間ｔｐ経過後、加速区間と同じ加速度で減速してＡ地点で停止するように、つまりＴoの時間をかけてＡ地点で停止するように出力制御部１８が旋回用電動機２０を制御する。Ａ地点でバケット６は楕円運動が発生することなく停止する。

「（７）ワイヤ５の巻き下げ、生コンクリートの積み込み」
バケット６がＡ地点に到着すると、演算部１７より出力制御部１８にワイヤ５の巻き下げ指令が出され、出力制御部１８の制御により巻き取り用電動機２１がワイヤ５を下げる。速度検出器１５、距離検出器１６等の出力信号が監視され、バケット６がトランスファーカ２からの移載箇所に位置したら巻き取り用電動機２１を停止させる。トランスファーカ２はバケット６を自動的に検知して生コンクリートを投入する。そして、トランスファーカ２からバケット６へ生コンクリートを移載完了した旨の信号がオペレータに送信される。以降は（１）〜（７）の手順を繰り返す。

なお、旋回開始地点であるＡ地点、旋回終了地点であるＢ地点、旋回中心等の位置の決定については、例えば３次元座標データを直接コンピュータに入力する方式にすることもできる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明した。説明した形態では、旋回中のワイヤ５の長さを一定としたため、円周方向の振れ止めとして設定する加速区間、減速区間の時間を振子運動の周期Ｔoの略整数倍とした。しかし、たとえば、特許文献１に記載されているように、加速区間、減速区間でそれぞれワイヤを巻き上げ、巻き下げる場合、加速区間においては、加速開始時のワイヤの吊長さに基づく吊荷の振子運動の周期と加速終了時のワイヤの吊長さに基づく吊荷の振子運動の周期との平均値の略整数倍とし、減速区間においては、減速開始時のワイヤの吊長さに基づく吊荷の振子運動の周期と減速終了時のワイヤの吊長さに基づく吊荷の振子運動の周期との平均値の略整数倍とするものとし、本発明では、このような周期の平均値の略整数倍も、「振子運動の周期Ｔoの略整数倍」として包含するものとする。

ダム周辺をコンクリート打設する際のタワークレーンおよび付帯設備の配置例を示す側面図である。ダム周辺をコンクリート打設する際のタワークレーンおよび付帯設備の配置例を示す平面図である。本発明に係る振れ止め制御システムの構成ブロック図である。ジブの旋回周速度の変化を示すグラフである。吊荷の半径方向の振動変化を示すグラフである。吊荷の半径方向の振動変化を示す平面説明図である。

符号の説明

１バンカ線
２トランスファーカ
３タワークレーン
４ジブ
５ワイヤ
６バケット（吊荷）

Claims

ジブを旋回させてワイヤで吊った吊荷を運搬するクレーンにおいて、
ジブを旋回半径一定として加速区間、等速区間、減速区間の順で旋回させ、
加速区間および減速区間の運転時間を、互いに同一の時間であって、吊荷の振子運動の周期Ｔoの略整数倍に設定するとともに、
加速区間の終了時点から、遠心力により生じる吊荷の半径方向の振動で最初の最大振れ変位になるまでの時間差を「（Δ／２）・Ｔo」として、等速区間の運転時間を「（ｎ＋Δ）・Ｔo」（ｎ：０以上の整数）に設定することにより、
停止地点における吊荷の振れを止めることを特徴とするクレーンの振れ止め制御方法。
ジブを旋回させてワイヤで吊った吊荷を運搬するクレーンにおいて、
ジブを旋回半径一定として加速区間、等速区間、減速区間の順で旋回させ、
加速区間および減速区間の運転時間を、互いに同一の時間であって、吊荷の振子運動の周期Ｔoの略整数倍に設定するとともに、
加速区間の終了時点から、遠心力により生じる吊荷の半径方向の振動で最初の最大振れ変位になるまでの時間差を「（Δ／２）・Ｔo」として、等速区間の運転時間を「（ｎ＋Δ）・Ｔo」（ｎ：０以上の整数）に設定する演算部を有することを特徴とするクレーンの振れ止め制御システム。