JP5991252B2 - 荷役機械の吊荷の重心位置測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、クレーン等の荷役機械によって運搬されるコンテナ等の吊荷の重心位置を測定するための荷役機械の吊荷の重心位置測定方法及び装置に関する。

港湾等におけるコンテナ貨物（いわゆる海上コンテナ）の輸出の際には、クレーンによってトレーラーへのコンテナの積み降ろしが行われ、トレーラーでコンテナが輸送されるが、コンテナ内の積荷のアンバランスによって、走行中カーブを曲がる際等に発生する遠心力がトレーラーの操縦性を悪化させることがある。

このような積荷のアンバランスは、トレーラーに積載されたコンテナ内の積荷が均一でないことに起因し、コンテナの重心に偏りを生じさせる。

このため、クレーンでの陸揚げ時にコンテナをクレーンによってトレーラーに積載する前にコンテナの重心を測定し、測定結果をトレーラーのドライバーに知らせたり、測定結果に基いて、コンテナの重心のバランスを考慮してトレーラーに適正に積載したりすることが望ましい。

コンテナの水平面内の重心位置は、例えば４点で吊った状態での吊点位置での荷重をクレーンに設置されている荷重計（ワイヤロープの張力計）で計測すれば容易に確定できる。しかし、鉛直方向の重心位置を知ることはできない。

そこで、特許文献１には、放射線源を用いて求めた放射線の強度分布に基いて、コンテナの密度分布を算出し、この密度分布に基いてコンテナの重心位置を特定する技術が提案されている。

また、特許文献２には、基本的に吊上用のワイヤに作用する張力を検出し、次に水平方向への移動に伴うワイヤの傾斜角度を検出し、検出された張力と傾斜角度に基いて、吊荷の水平面内及び鉛直面内の各重心位置を演算する技術が提案されている。

また、非特許文献１には、鉛直方向重心位置の算出方法が記載されている。

特開２００７−１９１１７３号公報 特開２０１２−３７４６９号公報

大熊 政明, 施 勤忠, 於保 辰哉「実験的特性行列同定法の開発」機械学会論文集(Ｃ編) 63巻 616号 (1997-12) 論文No.97-0642 pp4171〜4178

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、特別な管理が必要な放射線源が必要なだけでなく、放射線源と放射線検出器が対向配置された特別な架台上に吊荷を１回置く必要があり、荷役サイクルが低下するという問題点を有している。

一方、特許文献２に記載の技術では、まず静止状態で平面の重心位置を検出し、次いで吊荷が振れて傾斜角度が出る状態で、傾斜角度と張力を検出して鉛直方向の重心位置を求めており、最初の静止状態では振れがないことが必要で、次の傾斜角度測定時には、逆に、なるべく傾斜角度が大きく振れた方が精度が良くなる。したがって、吊荷の２つの状態を意図して作る必要があり、荷役中に、それらの状態を作ることは、荷役サイクルの低下になる上、傾斜角度をあまり大きくとれないため、高精度の測定は困難である（発明者の試算によると、長さ５ｍ、水平方向重心位置が３ｍのコンテナの例では、傾斜角度が０．００７度違うと鉛直方向重心位置に５００ｍｍの測定誤差が生じる）という問題点を有している。

一方、非特許文献１には、鉛直方向重心位置の算出方法が記載されているのみで、具体的な測定方法は記載されていない。

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、放射線源を用いることなく、吊荷の重心位置を迅速且つ高精度に測定することを課題とする。

本発明は、荷役機械の吊具の吊点で構成される平面の中心を通る鉛直軸上に、回転軸を有する連結器を持たせ、該連結器の回転を拘束した状態で、吊荷の水平方向重心位置を測定した後、前記連結器の回転軸の拘束を解いて吊荷を振動させ、該回転軸の軸回りの振動を計測することで、吊荷の鉛直方向重心位置を測定することにより、前記課題を解決したものである。

また、前記連結器の回転軸の内、前記鉛直軸回りの回転を常に拘束することにより、コンテナクレーンの場合に吊荷が鉛直軸回りに回転して、積載の妨げにならないようにすることができる。

また、前記連結器を、ヘッドブロックとスプレッダの間に設けた吊りビームの上面とヘッドブロック下面との間に配設することができる。

本発明は、又、荷役機械の吊具の吊点で構成される平面の中心を通る鉛直軸上に配設された、回転軸を有する連結器と、該連結器の回転を拘束するための拘束手段と、該拘束手段により、前記連結器の回転を拘束した状態で、吊荷の水平方向重心位置を測定する手段と、鉛直方向重心位置測定時に、前記連結器の回転軸の拘束を解いて吊荷を振動させ、該回転軸の軸回りの振動を計測する手段と、該計測結果に基いて、吊荷の鉛直方向重心位置を測定する手段と、を備えたことにより、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、水平方向重心位置を測定した後、吊荷を移動させることの慣性力が外力となって励起される少なくとも１つの軸（好ましくは２つの軸）回りの振動を、例えば加速度センサで計測して固有振動数を算定し、同時に吊荷の質量及び水平面内の重心位置を荷重計等で計測することで、鉛直方向重心位置を算定できる。算定には、例えば非特許文献１に記載の方法を用いることができる。

したがって、放射線源を用いることなく、吊荷の鉛直方向重心位置を迅速且つ高精度に測定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 同じく正面図 本発明の実施形態の要部を拡大して示す正面図 同じく平面図 図４のV−V線に沿う断面図 図３のVI−VI線に沿う断面図 同じくVII−VII線に沿う断面図 同じくVIII−VIII線に沿う断面図 実施形態の処理手順を示す流れ図 吊荷を吊り上げた状態の吊点における張力を模式的に示す図 説明のため簡略化したモデルを示す図

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。

本発明が適用される荷役機械の一例を図１（斜視図）及び図２（正面図）に示す。

この荷役機械は、図２に示す如く、港湾に設置されたコンテナ船（船舶）１０からコンテナ（吊荷）１２の荷揚げや積込みを行うコンテナクレーン２０である。

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、吊具（ヘッドブロックと称する）３３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、３４はスプレッダ、３６は、ヘッドブロック３３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。

本実施形態においては、図３（要部拡大正面図）、図４（同じく平面図）、図５（図４のV−V線に沿う断面図）、図６（図３のVI−VI線に沿う断面図）、図７（同じくVII−VII線に沿う断面図）、図８（同じくVIII−VIII線に沿う断面図）に示す如く、平面図においてヘッドブロック３３の短辺方向をＸ軸、その直角方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸とすると、前記ブーム３０上のトロリ３２からワイヤロープ４０を介して吊り下げられた、４つのシーブ４１の軸受中心にある４つの吊点７１、７２、７３、７４で構成される平面の中心を通る鉛直軸上にあるヘッドブロック３３の中心に、Ｘ軸回り及びＹ軸回りに回転自在な球面軸受５３を持つ連結器５０によって吊りビーム４２が吊り下げられ、その下に前記スプレッダ３４（例えば２０フィートコンテナ用の状態３４ａ、４０フィートコンテナ用の状態３４ｂ）が配設されている。本実施形態のスプレッダ３４は、いわゆる伸縮スプレッダで、２０フィートコンテナ１２ａと４０フィートコンテナ１２ｂに分けて遠隔操作で伸び縮みさせることができる。

前記ヘッドブロック３３と吊りビーム４２との間には、通常は前記ヘッドブロック３３と吊りビーム４２との間の相対運動を押さえ、鉛直方向重心位置測定時は相対運動させるための押さえ用シリンダ６０が設けられている。吊りビーム４２とスプレッダ３４の間とスプレッダ３４とコンテナ（吊荷）１２との間は、それぞれツイストロックピン６２と６６により荷役時は一体化されている。前記ヘッドブロック３３と吊りビーム４２以下の一体化されたスプレッダ３４、コンテナ（吊荷）１２（以下、吊り部とも言う）が押さえ用シリンダ６０の後退により相対運動可能になった時、吊り部を連結部回りに振動させるための圧縮ばね６４が設けられている。また、この振動がＺ軸回りに生じないようにするための拘束機構５８が設けられている。

前記ヘッドブロック３３にはシーブ４１が設けられ、このシーブ４１に前記トロリ３２からのワイヤロープ４０が巻き掛けられている。シーブ４１の軸受部がワイヤーロープ４０からの吊り上げ力が作用する点で、これが吊点７１、７２、７３、７４となる。

前記連結器５０は、図３、４、５に詳細に示される如く、少なくともヘッドブロック３３側の連結軸５２と、球面軸受５３と、吊りビーム４２側の連結部５４と、球面軸受用押さえ５６と、Ｚ軸回りの回転を拘束する拘束機構５８とから構成され、連結機能と回転軸機能を有している。なお、実施例では球面軸受を用いたが、連結機能と回転軸機能を有する機構であれば何れの構成でも構わない。

図において、７０は加速度センサ、Ｇは吊荷１２の重心、矢印Ａは球面軸受５３の球面部によるＸ軸回りの揺動方向、矢印Ｂは同じくＹ軸回りの揺動方向、ｄｇ、ｗｇは吊荷１２の重心位置の図心からの偏心量で、ｈｇは吊荷１２の重心位置の吊荷底面からの偏心量である。

以下、図９を参照して、実施形態の処理手順を説明する。

まずステップＳ１００で、ヘッドブロック３３に設置され、吊りビーム４２方向（下方）にシリンダが飛び出る押さえ用シリンダ６０により、吊りビーム４２をヘッドブロック３３に固定する。

次いでステップＳ１１０で、図２に示した船舶１０のコンテナ船倉からコンテナ１２を吊り上げる。

次いでステップＳ１２０に進み、一体化しているヘッドブロック３３、吊りビーム４２、スプレッダ３４、吊荷１２の各質量をｍ₁、ｍ₂、ｍ₃、ｍ₄とし、合計質量ｍ_t(＝ｍ₁＋ｍ₂＋ｍ₃＋ｍ₄)を計測する。

ここで、図１０に示す如く、４本の各ワイヤロープ４０の張力測定値をＴ₁₁、Ｔ₁₂、Ｔ₂₁、Ｔ₂₂とすると次式の関係が成立する。
ｍ₁＋ｍ₂＋ｍ₃＋ｍ₄＝Ｔ₁₁＋Ｔ₁₂＋Ｔ₂₁＋Ｔ₂₂ ・・・（１）
ここで、ｍ₁、ｍ₂、ｍ₃は既知である。

次いでステップＳ１３０に進み、合計質量ｍ_tから既知のヘッドブロック３３、吊りビーム４２、スプレッダ３４の質量ｍ₁、ｍ₂、ｍ₃を差し引いて、吊荷１２の質量ｍ₄(＝ｍ_t−ｍ₁−ｍ₂−ｍ₃)を計算する。

ここで、図１０に示した如く、ヘッドブロック３３の平面図において、図心にＸ−Ｙ座標をとり、例えばＸ軸は吊荷１２の短辺と平行、Ｙ軸は吊荷１２の長辺と平行とする。

次いで、ステップＳ１４０に進み、合計質量ｍ_tの水平方向重心(dx,dy)を次式から求める。
Ｘ軸回り：ｍ_t×dy＋(Ｔ₁₁＋Ｔ₁₂)×(ｕ/２)＝(Ｔ₂₁＋Ｔ₂₂)×(ｕ/２)
・・・（２）
Ｙ軸回り：ｍ_t×dx＋(Ｔ₁₁＋Ｔ₂₁)×(ｖ/２)＝(Ｔ₁₂＋Ｔ₂₂)×(ｖ/２)
・・・（３）
ここで、ｕは吊点７１（７２）と吊点７３（７４）の距離、ｖは吊点７１（７３）と吊点７２（７４）の距離である。

ｍ₁、ｍ₂、ｍ₃、ｍ₄の重心位置をそれぞれ、(dx₁,dy₁)、(dx₂,dy₂)、(dx₃,dy₃)、(dx₄,dy₄)とすると、次式が成立する。
Ｘ軸回り：ｍ₁×dy₁＋ｍ₂×dy₂＋ｍ₃×dy₃＋ｍ₄×dy₄＝(ｍ₁＋ｍ₂＋ｍ₃＋ｍ₄)×dy
・・・（４）
Ｙ軸回り：ｍ₁×dx₁＋ｍ₂×dx₂＋ｍ₃×dx₃＋ｍ₄×dx₄＝(ｍ₁＋ｍ₂＋ｍ₃＋ｍ₄)×dx
・・・（５）
ここで、ｍ₁、ｍ₂、ｍ₃、ｍ₄、(dx₁,dy₁)、(dx₂,dy₂)、(dx₃,dy₃)、(dx,dy)は既知であるので、ステップＳ１５０で、吊荷１２の質量ｍ₄の水平方向重心(dx₄,dy₄)を求める。

次いでステップＳ１６０に進み、吊り下げた状態で押さえ用シリンダ６０を作動させて、ヘッドブロック３３と吊り部との間の相対運動を可能とし、ヘッドブロック３３に連結器５０により吊り下げられた吊り部を、圧縮ばね６４による原点へ復元力で回転軸回りに振動させる。この振動は、吊荷１２を移動させることによって生じる慣性力が外力になって励起させる。

次いでステップＳ１７０に進み、吊荷１２の質量ｍ₄の鉛直方向重心位置ｈ₄を求める。ここで、吊荷１２の鉛直方向の重心位置を求めるには、１つの軸回りの角速度が得られれば計算できるが、連結器５０に２軸の自由度を持たせた方が動きが円滑になり、測定値の精度が向上する。また、２軸のそれぞれの方向の角速度を測定して２つの測定値を求めることは、それだけ信頼性の向上に結びつく。

説明のため、モデルを図１１のように簡略化する。吊りビーム４２とスプレッダ３４を一つと見なし、その質量をｍ₂₃とすると共に、その重心がＺ軸上にあるものとする。
Ｘ軸回りの運動方程式

ここで、k_xはＸ軸回りの剛性（既知のばね定数から算出）、ｍ₂₃、ｈ₂₃、ｍ₄、dy₄は既知である。

（６）式は、Ｘ軸回りの角速度をω_xとすると、

したがって、ステップＳ１７０で加速度センサ７０でω_xを計測すれば、ステップＳ１８０で（７）式から鉛直方向重心位置ｈ₄が求められる。

Ｙ軸回りの運動方程式からも同様に鉛直方向重心位置ｈ₄が求められる。

ここで、k_yはＹ軸回りの剛性（既知のばね定数から算出）、ω_yはＹ軸回りの角速度である。

なお、Ｘ軸回りで求めたｈ₄とＹ軸回りで求めたｈ₄の値が不一致のときは、例えば差が小さい時は平均値を採用し、差が大きい時は再測定を促すことができる。

以上、吊荷１２の鉛直方向の重心位置を求めるとき、考え方を明瞭にするため、吊りビーム４２とスプレッダ３４を一つと見なし、且つその重心がＺ軸上にあるとしたが、吊りビーム４２とスプレッダ３４の質量と重心位置を個々に標記しても構わない。

なお、前記実施形態においては、橋型クレーンが対象とされていたが、対象クレーンはこれに限定されず、荷を吊るクレーンであれば、他の大型クレーンや、それ以外の荷役機械にも同様に適用できる。また、吊荷もコンテナに限定されない。

１２、１２ａ、１２ｂ…コンテナ（吊荷）
２０…コンテナクレーン
３２…トロリ
３３…ヘッドブロック
３４、３４ａ、３４ｂ…スプレッダ
４２…吊りビーム
５０…連結器
６０…押さえ用シリンダ
６２、６６…ツイストロックピン
７０…加速度センサ
７１〜７４…吊点

Claims (6)

1. 荷役機械の吊具の吊点で構成される平面の中心を通る鉛直軸上に、回転軸を有する連結器を持たせ、
   該連結器の回転を拘束した状態で、吊荷の水平方向重心位置を測定した後、
   前記連結器の回転軸の拘束を解いて吊荷を振動させ、該回転軸の軸回りの振動を計測することで、吊荷の鉛直方向重心位置を測定することを特徴とする荷役機械の吊荷の重心位置測定方法。
2. 前記連結器の回転軸の内、前記鉛直軸回りの回転を常に拘束することを特徴とする請求項１に記載の荷役機械の吊荷の重心位置測定方法。
3. 前記連結器を、ヘッドブロックとスプレッダの間に設けた吊りビームの上面とヘッドブロック下面との間に配設することを特徴とする請求項１又は２に記載の荷役機械の吊荷の重心位置測定方法。
4. 荷役機械の吊具の吊点で構成される平面の中心を通る鉛直軸上に配設された、回転軸を有する連結器と、
   該連結器の回転を拘束するための拘束手段と、
   該拘束手段により、前記連結器の回転を拘束した状態で、吊荷の水平方向重心位置を測定する手段と、
   鉛直方向重心位置測定時に、前記連結器の回転軸の拘束を解いて吊荷を振動させ、該回転軸の軸回りの振動を計測する手段と、
   該計測結果に基いて、吊荷の鉛直方向重心位置を測定する手段と、
   を備えたことを特徴とする荷役機械の吊荷の重心位置測定装置。
5. 前記連結器の回転軸の内、前記鉛直軸回りの回転が常に拘束がされていることを特徴とする請求項４に記載の荷役機械の吊荷の重心位置測定装置。
6. 前記連結器が、ヘッドブロックとスプレッダの間に設けた吊りビームの上面とヘッドブロック下面との間に配設されてい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吊荷の重心位置測定装置。

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