JP5991188B2

JP5991188B2 - 荷役機械の振動抑制方法及び装置

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Publication number: JP5991188B2
Application number: JP2012277507A
Authority: JP
Inventors: 村野　健一; 健一村野
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: JP2014118304A

Description

本発明は、荷役機械の振動抑制方法及び装置に係り、特に岸壁に沿って走行可能とされ、船舶などの荷（例えばコンテナ）の受け渡しを行うコンテナクレーンなどの大型の橋形クレーンの起伏ブーム、トロリガータ、クレーン本体の脚部、上部連結材、下部橋桁やアンローダ等に用いるのに好適な、荷役機械の振動抑制方法及び装置に関する。

荷役機械の一つに、図１（斜視図）、図２（コンテナを荷役している状態を示す正面図）、図３（側面図）に例示する如く、港湾に設置されてコンテナ船（船舶）１０からコンテナ（荷）１２の荷揚げや積み込みを行うコンテナクレーン２０がある。

このコンテナクレーン２０は、レール１６上を走行装置２４で走行するクレーン本体２２の脚部２６に支持された長い水平桁（起伏ブーム又は単にブームと称する）３０に、コンテナ専用の吊具（スプレッダと称する）３４を垂下させるトロリ３２を備えるクレーンであって、橋の形をしていることから橋形クレーンとも呼ばれる。このコンテナクレーンは、ガントリクレーンとも呼ばれている。

前記レール１６は、コンテナ埠頭（港湾）のエプロン１４に少なくとも２本敷かれており、岸壁に沿って平行に設置されている。このことによって、コンテナクレーン２０は、岸壁に接岸されたコンテナ船１０に対して平行に走行することが可能であり、更に、ブーム３０上のトロリ３２がコンテナクレーン２０の走行方向、つまりレール１６の敷設方向に対して直角に横行することにより、コンテナ船１０上の全域にわたって、コンテナ１２に対する荷役が可能とされている。

前記ブーム３０は、船舶１０が接岸する時、図２に二点鎖線で示すように、上方に跳ね上げて退避するようにされている。

また、前記レール１６上を走行する脚部２６は、海側と陸側とに分かれて配置されて構成されており、これら海側脚及び陸側脚の四隅の下端部それぞれには、車輪と車輪を駆動するモータから構成された走行装置２４が備えられている。

図において、２３ａは海側アッパービーム、２３ｂは陸側アッパービーム、２３ｃは上部連結材、２３ｄは斜材、２８は下部橋桁、３１はトロリガータ、３６は、スプレッダ３４と共に前記トロリ３２に搭載された操縦室、３８は、クレーン本体２２に配設された機械室である。

このような脚部２６が門形のクレーン本体２２を有する走行式クレーンでは、走行して荷１２を吊る荷役作業のため、走行方向に位置を決める必要がある。そこで、走行電動機などの制御装置で加速、減速などの駆動力、制動力を使用してクレーン構造体の位置を決める。これは、トロリ３２の位置決めでも同様であるが、その際に、クレーン本体２２やトロリ３２の質量の移動、加減速によりクレーン構造体が振動する。

従来、この振動に対しては、本体の減衰により、振動が収まるのを待つことや、慣性力を逆方向に作動させて振動を能動的に止める操作をすることや、制振装置を装備して振動を止めることなどが行われている。

例えば、特許文献１では、クレーン構造体のブームの振れ回り振動を制御するために、ブーム軸方向と直角に動作する走行装置を制御することで、振れ回り振動を制振することを提案している。

特開２００４−５９１５９号公報

近年のコンテナクレーンに代表される港湾荷役機械では、コンテナ船１０の大型化に伴い、コンテナクレーンが大型化し、その固有振動数が低くなり、ブーム３０の振れ回り振動周期も長くなるため、振動が収まるまでの時間が長く、一度振動した場合、クレーン本体２２の位置を決める時間が長くなることや、トロリ３２上の運転者がブーム３０先端付近で荷役する場合にも、その振動により作業性が悪化するなどの問題点があった。

又、コンテナクレーンのブーム構造体は、そのブーム３０上をトロリ３２が走行するという機械装置であるため、構造体の質量および重心が変化する。また、トロリ３２から荷１２を吊ることにしているため、その質量も一定ではない。そのため、ブーム構造体の振動は、常に変化することとなり、旧来の制振の設計手法では対応できなかった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、起伏ブーム、トロリガータ、クレーン本体の脚部、上部連結材、下部橋桁等の長尺部材の振動を効率よく抑制することを課題とする。

本発明は、振動の抑制が必要な長尺部材を有する荷役機械において、前記長尺部材の一端から他端にかけて少なくとも一本の引張部材をかけ渡すと共に、該引張部材の中間部に、該引張部材を横から押して突張るためのアクチュエータを配置し、該アクチュエータに加わる力及び／又は減衰力を能動的又は準能動的又は受動的に制御することにより、前記長尺部材の振動を抑制するようにして、前記課題を解決したものである。

ここで、前記引張部材を、前記長尺部材の中心軸と交差しないように張ることができる。

あるいは、前記引張部材を、前記長尺部材の中心軸と交差するように張ることができる。

又、前記長尺部材を長手方向に複数の区間に分割し、各区間毎に前記アクチュエータを配置することができる。

又、前記長尺部材を、各区間の長尺部材の剛性と減衰の比が一定となるように分割することができる。

又、前記引張部材を、各区間毎に分割することができる。

又、前記長尺部材に加わる加速度、相対変位、又は歪みを検出して、前記引張部材に加わる力及び／又は減衰力を制御することができる。

又、前記長尺部材の構造を少なくとも１つ以上の質点としてモデル化し、これに長尺部材上を移動する移動体の位置情報から該移動体の位置に一番近いモデル化した質点に該移動体の質量を加えて振動解析を行い、前記長尺部材の変位や加速度を抑えるように制御することができる。

又、前記長尺部材を、荷を吊り下げて支持するための移動体であるトロリが配設された起伏ブーム、トロリガータ、クレーン本体の脚部、上部連結材又は下部橋桁の少なくともいずれか一つとすることができる。

本発明は、又、振動の抑制が必要な長尺部材を有する荷役機械において、前記長尺部材の一端から他端にかけて掛け渡された少なくとも一本の引張部材と、該引張部材の中間部に配置された、該引張部材を横から押して突張るためのアクチュエータと、該アクチュエータに加わる力及び／又は減衰力を能動的又は準能動的又は受動的に制御することにより、前記長尺部材の振動を抑制する手段と、を備えたことを特徴とする荷役機械の振動抑制装置を提供するものである。

又、前記アクチュエータを、前記引張部材に加わる力を発生し、又は、ピストンの移動速度に比例した減衰力を制御則によって与える油圧シリンダとすることができる。

又、前記アクチュエータを、前記引張部材に力を与えるばねを内蔵又は外付けした油圧ダンパーとすることができる。

又、前記油圧ダンパーのピストンに形成されたオリフィスの径を可変とすることができる。

本発明によれば、起伏ブーム、トロリガータ、クレーン本体の脚部、上部連結材、下部橋桁等の長尺部材の振動を効率よく抑制することが可能となる。

本発明の適用対象の一例であるコンテナクレーンを示す斜視図同じくコンテナを荷役している状態を示す正面図同じく側面図本発明の第１実施形態の要部構成を示す平面図同じく制御方法の変形例を説明するための模式図本発明で用いることができる油圧ダンパーの構成を示す断面図本発明の第２実施形態の要部構成を示す平面図本発明による制御方法の変形例を行うための振動モデルを示す図同じく具体例を説明するための図同じく振動モデルを変えた例を示す図本発明の第３実施形態の要部構成を示す平面図同じく分割モデルを示す図本発明の第４実施形態の要部構成を示す平面図本発明の第５実施形態の要部構成を示す平面図本発明の第６実施形態の要部構成を示す平面図本発明の第７実施形態の要部構成を示す平面図本発明の第８実施形態の要部構成を示す側面図本発明の第９実施形態の要部構成を示す平面図本発明の第１０実施形態の要部構成を示す平面図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態の要部を、図４に示す。本実施形態は、図１乃至図３に示したようなコンテナクレーンの起伏ブーム３０の制振に本発明を適用したものである。

前記ブーム３０側方のブーム先端部３０ａ（図の左側）の線索作用点部４２からブーム根元部である海側アッパービーム２３ａ（図の右側）の線索支点部４４にかけて、左右（図では上下）一対の線索（引張部材）４０が、プリテンションをかけてかけ渡されている。

更に、前記ブーム３０の中間部には、前記線索４０を横から押して突張るための油圧シリンダ５０が設けられている。

前記油圧シリンダ５０の先端には、シーブ５２が設けられている。

図４において、ブーム３０は、岸壁と平行なｙ方向に変位しながら振動する。この振動モードの振動数は、ブーム３０に沿ってブーム３０の長手方向（図のｘ方向）に変位するトロリ３２の位置や質量により変化するが、この振動を、例えば前記油圧シリンダ５０の圧力差として検出し、検出した圧力差に対応した制御力を油圧シリンダ５０に出力して、ブーム３０の振動を抑制する。

本実施形態では、油圧シリンダ５０が線索４０と接する部分にシーブ５２が設けられており、油圧シリンダ５０と線索４０の間でブーム長手方向（図の左右方向）の力が働かないようにして、円滑な作用を保証している。

なお、油圧シリンダ５０の圧力を検出する代わりに、シーブ５２の軸に力センサを設けても良い。

又、油圧シリンダ５０は、ピストンの移動速度に比例した減衰力を制御則によって与えることもできる。

ここで、ブーム構造物の振動モデルは次式で表わせる。

ここで、Ｍ：質量行列
Ｋ：剛性行列
Ｃ：減衰行列
ｘ：構造物の任意場所の変位ベクトル（状態変数）
Ｆ：外力ベクトル

張力差は（１）式の振動モデルの中では各ノードの変位の差と考える。例えばブーム先端ｘ₁であれば、計測される張力差Ｆは、予め計算して与えられているａＥを用いて、次
式で表わされる。

Ｆ＝ａＥｘ₁ ・・・（２）
ここで、ａ：係数
Ｅ：ヤング率

即ち、ｘ₁が求められたこととなり、カルマンフィルタの設計をすることにより、制御
則が与えられる。

本実施形態においては、線索４０がブーム３０と平行であるので、ブーム構造体にはモーメントのみが作用する。

本実施形態によれば、単純な制御装置で実現できる。

なお、トロリ３２の位置および、荷１２の質量は、コンテナクレーン２０の制御装置に取り込まれている。この情報から、振動モデルを適宜演算し、制御モデルを都度構築して、例えば最適制御則を演算して、制御力を決定することもできる。

具体的には、図５に例示する如く、振動センサとしてブーム先端部３０ａに加速度センサ４６を取り付けて、ブーム構造体の水平方向ｙ軸の加速度αを計測し、その加速度を評価して制御力ｕ（ベクトル）を算出して、ダンパーあるいは油圧シリンダの制御をすることもできる。

即ち、例えば（１）式に対して、次の（４）式で示す２次形式の評価関数Ｊにより構造物変位等を評価し、最適制御則を計算すると、（５）式のようなフィードバック制御則が与えられる。

(Ｆ＝)ｕ＝−Ｇｘ・・・（５）
ここで、ｕ：制御力（ベクトル）
Ｑ，Ｒ：重み行列

制御するためには状態変数ｘ（ベクトル）を与える必要があるため、図６の加速度αを計測してｘ（ベクトル）を推定する。

又、オブサーバを与える。

例えば、次式で与えられるｘハット（ベクトル）がｘ（ベクトル）の推定値である。

ここで、Ｄ：観測できる状態量ｙを示す行列
Ｋ：カルマンフィルタによるゲイン（行列）

このような方法により、ブーム３０上の加速度αを計測し、状態変数ｘ（ベクトル）を推定して制御することができる。

なお、前記第１実施形態においては、アクチュエータとして油圧シリンダ５０が用いられていたが、アクチュエータの種類は、これに限定されず、油圧シリンダ５０の代わりに図６（Ａ）に示すような、作動油が充填されたシリンダ５４Ａ内にばね５４Ｂを内蔵した油圧ダンパー５４、又は、図６（Ｂ）に示すような、作動油が充填されたシリンダ５６Ａにばね５６Ｂを外付けした油圧ダンパー５６を用いて、受動的な制振を行うこともできる。図において、５４Ｃ、５６Ｃは、オリフィス５４Ｄ、５６Ｄが形成されたピストンである。

更に、オリフィス５４Ｄ、５６Ｄの径を可変構造とすることや、作動流体をＭＲ流体として流路の磁力を変化することで減衰力を準能動的に制御できる。

又、前記第１実施形態においては、線索４０がブーム３０の中心軸と交差しないように張られていたが、図７に示す第２実施形態のように、線索４０をブーム３０の中心軸と交差させても良い。他の構成及び基本的な作用は第１実施形態と同様であるので説明は省略する。

本実施形態においては、線索４０が作用する力に角度がつくので、制御の自由度が高まる。

ここで、便宜上、第２実施形態のように、線索４０が交差するタイプを交差型、第１実施形態のように、線索が交差しないタイプを平行型と称する。

次に、本発明による制御方法の変形例について説明する。

制御系構築方法は、有限要素法から振動モード座標を計算してモデル化する方法が考えられる。対象となるモデルは、質量要素、ばね要素、減衰要素に分解できる。目的はブーム振動の減衰を向上させることであるから、目的関数をそのように設定して制御則を既存の手法で構築できる。このときに、トロリ３２の位置情報を付け加えるモデルは、トロリ３２の位置ごとに有限要素法モデルを構築し、振動モード座標系に分解して制御系を設計することは実時間では困難である。これは、以下のようにして解決することができる。

まず、ブーム単体の振動モード座標を作る。これは、設計値などにより机上であらかじめ構築できる。このモデルは図８のような模式図で示すことができる。分解した質量ｍ１からｍｎとばねｋ１からｋｎと減衰ｃ１からｃｎとなり、これの運動方程式は単純なマトリクスで表現できる。トロリ３２の質量をｍｔとすると、これを現在のトロリ位置情報から、分解した質量の位置に加える。例えばトロリ位置がブーム先端であればｍ１にｍｔを加えたモデルとなる。

マトリクスの大きさは振動モードの分解にもよるが、振動で問題になる振動数までで良いことが経験的にわかっているので２０次程度に収まる。２０次程度であれば、その演算はリアルタイムで可能であるから、質量位置が変わるような問題でも対応できる。

また、式の様にあらかじめ与えておいて制御の振動モデルを切換えても良い。

具体的には、図９に例示する如く、トロリ３２の停止位置が２．５ｍピッチである場合は、ｉ番目にトロリ停止し、トロリ重量ｍ_tとして、分割を次のようにする。

前出（１）式において、質量行列Ｍが可変であるので、トロリ位置検出手段３３で検出されるトロリ３２の位置に合わせて、図１０に示す如く、振動モデルを変えてカルマンフィルタＫ及び制御ゲインＧを与える。

なお、前記実施形態においては、いずれも、一つの制御対象部位に対する線索要素数が単数とされていたが、図１１に示す第３実施形態のように制御対象部位（図ではブーム３０）の側面に中継用の梁３０ｃを設けて、一つの制御対象部位に対する線索要素数を複数とすることもできる。

即ち、一本の長い引張部材をブーム先端からブーム根元まで配置するのは実際には難しいが、図１１に例示するように、線索４０を分割し、それらが作用する梁３０ｃをブーム３０から出すことにより対応できる。更に、ブーム３０の分割により、ブームの高次モードの振動モードに対しても制御が有効になる。更に、ブームの剛性も一様でないため、ブーム剛性に応じた分割をすることで、一様な減衰力を与えることが可能になる。

以下、図１１に示した交差型を例にとって、複数要素の場合の支持点である梁３０ｃの置き方を説明する。図１２に分割モデルを示す如く、ばね定数をＫ_ｉ、ヤング率をＥ、断面２次モーメントをＩ_ｉとして、
Ｋ_ｉ＝ＥＩ_ｉとすると、次式に示す振動モデル

を一定とするように分割すれば良い。

あるいは、支持点を、断面２次モーメントが変化する点においても良い。

又、適用対象も、ブームに限定されず、図１３に示す第４実施形態や図１４に示す第５実施形態のように、トロリガータ３１にも適用することができる。図において、３１ｃは中継用の梁である。

更に、図１５に示す第６実施形態のように、梁３１ｃを省略して、線索４０の中継点を制振対象（ここではトロリガータ３１）に直接設けることもできる。

又、図１６に示す第７実施形態のように、ブーム３０とトロリガータ３１の両方に適用することができる。

更に、図１７に示す第８実施形態のように、クレーン本体２２の脚部２６の水平本体走行方向やトロリ走行方向に適用することができる。

又、図１８に示す第９実施形態のように、クレーン本体２２の上部連結材２３ｃの水平本体走行方向に適用したり、図１９に示す第１０実施形態のように、下部橋桁２８の水平本体走行方向に適用することもできる。

なお、前記実施形態においては、いずれも、引張材料として、線索４０が用いられていたが、引張材料はこれらに限定されず、チェーン、パイプ、棒等であっても良い。

又、適用対象もコンテナクレーンのような橋形クレーンに限定されず、例えばアンローダ等にも同様に適用できる。荷もコンテナに限定されない。

１０…コンテナ船（船舶）
１２…コンテナ（荷）
１４…エプロン
１６…レール
２０…コンテナクレーン
２２…クレーン本体
２３ａ…海側アッパービーム（ブーム根元部）
２３ｃ…上部連結材
２４…走行装置
２６…脚部
２８…下部橋桁
３０…（起伏）ブーム
３０ａ…ブーム先端部
３０ｃ…梁（支持点）
３１…トロリガータ
３２…トロリ
３３…トロリ位置検出手段
３４…スプレッダ（吊具）
４０…線索（引張部材）
４２…線索作用点部
４４…線索支点部
４６…加速度センサ
５０…油圧シリンダ
５２…シーブ
５４、５６…油圧ダンパー

Claims

振動の抑制が必要な長尺部材を有する荷役機械において、
前記長尺部材の一端から他端にかけて少なくとも一本の引張部材をかけ渡すと共に、
該引張部材の中間部に、該引張部材を横から押して突張るためのアクチュエータを配置し、
該アクチュエータに加わる力及び／又は減衰力を能動的又は準能動的又は受動的に制御することにより、前記長尺部材の振動を抑制することを特徴とする荷役機械の振動抑制方法。
前記引張部材が、前記長尺部材の中心軸と交差しないように張られていることを特徴とする請求項１に記載の荷役機械の振動抑制方法。
前記引張部材が、前記長尺部材の中心軸と交差するように張られていることを特徴とする請求項１に記載の荷役機械の振動抑制方法。
前記長尺部材を長手方向に複数の区間に分割し、各区間毎に前記アクチュエータを配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の荷役機械の振動抑制方法。
前記長尺部材を、各区間の長尺部材の剛性と減衰の比が一定となるように分割することを特徴とする請求項４に記載の荷役機械の振動抑制方法。
前記引張部材を、各区間毎に分割することを特徴とする請求項４又は５に記載の荷役機械の振動抑制方法。
前記長尺部材に加わる加速度、相対変位、又は歪みを検出して、前記引張部材に加わる力及び／又は減衰力を制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の荷役機械の振動抑制方法。
前記長尺部材の構造を少なくとも１つ以上の質点としてモデル化し、これに長尺部材上を移動する移動体の位置情報から該移動体の位置に一番近いモデル化した質点に該移動体の質量を加えて振動解析を行い、前記長尺部材の変位や加速度を抑えるように制御することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の荷役機械の振動抑制方法。
前記長尺部材が、荷を吊り下げて支持するための移動体であるトロリが配設された起伏ブーム、トロリガータ、クレーン本体の脚部、上部連結材又は下部橋桁の少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の荷役機械の振動抑制方法。
振動の抑制が必要な長尺部材を有する荷役機械において、
前記長尺部材の一端から他端にかけて掛け渡された少なくとも一本の引張部材と、
該引張部材の中間部に配置された、該引張部材を横から押して突張るためのアクチュエータと、
該アクチュエータに加わる力及び／又は減衰力を能動的又は準能動的又は受動的に制御することにより、前記長尺部材の振動を抑制する手段と、
を備えたことを特徴とする荷役機械の振動抑制装置。
前記アクチュエータが、前記引張部材に加わる力を発生し、又は、ピストンの移動速度に比例した減衰力を制御則によって与える油圧シリンダであることを特徴とする請求項１０に記載の荷役機械の振動抑制装置。
前記アクチュエータが、前記引張部材に力を与えるばねを内蔵又は外付けした油圧ダンパーであることを特徴とする請求項１０に記載の荷役機械の振動抑制装置。
前記油圧ダンパーのピストンに形成されたオリフィスの径が可変とされていることを特徴とする請求項１２に記載の荷役機械の振動抑制装置。