JP7235244B2 - 吊荷動揺抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、作業船に備えたクレーンから吊り下げられた吊荷を設置または揚重する際、その吊荷の動揺を抑制するための吊荷動揺抑制装置に関するものである。

例えば、今後推進が期待される洋上風力発電所等の建設においては、外洋における揚重作業として、様々な資材及び設備を海上から所定位置に設置、または所定位置から海上に揚重する必要がある。これら重量物である、例えば重量１００トン～５００トン相当の資材や設備を所定位置に設置または揚重するには、大型クレーンを備えた作業船が用いられることになる。しかしながら、海象条件が悪い中での外洋作業では、図６（ａ）～（ｄ）を参照して、波浪Ｗの影響によって、作業船３の動揺に伴い吊荷５も動揺する（図６における吊荷５の波形状に延びる動揺軌跡線Ｌ４参照）ことで作業が停滞する虞があり、作業効率が低下して傭船費等が高くなる。すなわち、外洋における設置（揚重）作業においては、波浪Ｗの影響による作業船３の動揺に伴って吊荷５が動揺することで、作業効率が低下してその工期が延び、その結果、傭船費等を含めたトータルの施工費が高騰する懸念があった。なお、図６に示す符号２はクレーンであり、符号１６はワイヤである。

これを対策するために提案された特許文献１には、作業船に設置されたクレーンと、所定の張力が導入された索を用いて前記クレーンに連結され、水底に設置された係留用の反力材と、を具備し、前記作業船の吊荷位置において、回転による変位量および上下動による変位量を小さくし、回転と上下動の位相をずらすことにより、前記吊荷位置での縦方向の揺れを低減する作業船の鉛直動揺低減構造が開示されている。

特開２０１０－７００２５号公報

しかしながら、上述した特許文献１の発明では、反力材を水底に設置すると共に、当該反力材（コンクリート製のシンカ等）とクレーンとを索（線材等）により連結する作業が必要であり、工期を短縮することができず、上述した問題の根本的な解決には至らない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、作業船が波浪により動揺しても、クレーンから吊り下げられた吊荷の動揺を抑制して作業効率を向上させる吊荷動揺抑制装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明は、作業船上のクレーンから吊り下げられた吊荷の動揺を抑制するための吊荷動揺抑制装置であって、前記吊荷を前記クレーンを介して昇降させるウインチと、前記作業船の、現時点から先の動揺を予測する動揺予測システムと、前記ウインチに連結され、前記動揺予測システムからの信号に基づいて、前記ウインチの回転速度を制御するウインチ制御システムと、を備え、前記動揺予測システムは、前記作業船に設けた動揺計測センサからの検出内容に基づいて、過去の動揺波形を計測データとして蓄積して、当該蓄積された過去の動揺波形に基づき自己回帰モデルを用いて、前記作業船の、現時点から先の動揺を予測可能に構成され、前記ウインチ制御システムは、回転軸を有する駆動装置と、該駆動装置の回転軸から前記ウインチに伝達される回転速度を減速して増力する減速機構と、前記動揺予測システムからの信号に基づいて、前記ウインチの回転速度を演算する演算装置と、前記駆動装置と前記減速機構との間に配置され、前記演算装置からの信号に基づき、前記駆動装置の回転軸から前記減速機構を経由して前記ウインチに伝達される回転速度を制御するトルクコンバータと、を備え、前記トルクコンバータは、前記演算装置からの信号がトルクコンバータ制御装置を介して制御バルブに送信されることで、クラッチピストンへの油圧が制御されると共に各クラッチプレートの結合度合いが制御され、出力側の回転方向及び回転速度が制御されることを特徴とするものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１の発明において、前記駆動装置は、内燃機関であることを特徴とするものである。

本発明に係る吊荷動揺抑制装置によれば、作業船が波浪により動揺しても、クレーンから吊り下げられた吊荷の動揺を抑制して作業効率を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置の概略図である。 図２は、本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置の作用を説明するためのフロー図である。 図３は、予測された作業船の動揺量に対するウインチの回転速度の関係図である。 図４は、本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置を採用した場合と、採用していない場合とで、吊荷の動揺量を比較した図である。 図５は、波浪によって、本吊荷動揺抑制装置を備えた作業船が動揺しても、そのクレーンから吊り下げられた吊荷の動揺が抑制されている様子を段階的に示した図である。 図６は、従来、作業船のクレーンから吊り下げられた吊荷が、波浪による作業船の動揺に伴って動揺している様子を段階的に示した図である。

以下、本発明を実施するための形態を図１～図５に基づいて詳細に説明する。
図１に示す本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置１は、図５を参照して、クレーン２の先端付近から垂下される吊荷５を所定位置に設置、または所定位置から揚重する際に、波浪Ｗによる作業船３（クレーン２）の動揺に伴う吊荷５の動揺を抑制するためのものである。本吊荷動揺抑制装置１は、特に、吊荷５の上下方向に沿う動揺（ヒーブ）を抑制するためのものである。当該吊荷５は、例えば、洋上風力発電所等の建設にて必要となる様々な資材や風力発電設備等である。本吊荷動揺抑制装置１は、本実施形態では、吊荷５の重量が１０トン以上、具体的には、最大５００トンまでの範囲で対応可能な構成を有している。本吊荷動揺抑制装置１は、クレーン２を備えた作業船３上に配置される。そして、図１及び図５に示すように、本吊荷動揺抑制装置１は、吊荷５を作業船３のクレーン２を介して昇降させるウインチ１０と、作業船３（クレーン２）の、現時点から先の動揺を予測する動揺予測システム１１と、ウインチ１０に連結され、動揺予測システム１１からの信号に基づいて、ウインチ１０の回転速度を制御するウインチ制御システム１２と、を備えている。

図１及び図５に示すように、ウインチ１０は、ドラム１５にワイヤ１６が巻回されて構成される。ドラム１５は作業船３のクレーン２内に設置される。ドラム１５は、後述するウインチ制御システム１２のトルクコンバータ２７と減速機構３２、平歯車３４及び中間歯車３３を介して連結されている。図５を参照して、ワイヤ１６は、クレーン２の先端付近に巻回されて垂下されている。ワイヤ１６の先端には吊荷５が吊り下げられている。図１に示すように、動揺予測システム１１は、作業船３の、過去の動揺波形の計測データから自己回帰モデルを使用して、現時点から先の動揺波形（ヒーブ）を予測するものである。詳しくは、動揺予測システム１１は、作業船３の、過去の動揺波形を計測データとして蓄積するデータ蓄積部１８と、該データ蓄積部１８に蓄積された過去の動揺波形の計測データから自己回帰モデルを使用して現時点から先の動揺波形を予測する動揺予測部１９と、を備えている。なお、作業船３の動揺を計測することで、クレーン２の動揺を検出することができる。

図１に示すように、作業船３の動揺は、作業船３に設けた複数の動揺計測センサ２２を用いて検出することができる。各動揺計測センサ２２は、動揺予測システム１１のデータ蓄積部１８に電気的に接続されている。これら動揺計測センサ２２からの検出内容が動揺予測システム１１のデータ蓄積部１８に送信される。そして、データ蓄積部１８にて、各動揺計測センサ２２からの検出内容に基づいて、現時点までの動揺波形が演算されて蓄積される。動揺予測システム１１の動揺予測部１９は、後述するウインチ制御システム１２の演算装置２６と電気的に接続されている。

自己回帰モデル（Ａｕｔｏ Ｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ Ｍｏｄｅｌ）は、ある時刻ｔの値を、時刻ｔよりも古いデータを用いて回帰するモデルのことであり、言い換えれば、過去のＮ点の計測データに重みづけをして、線型結合を作成することで近未来の値を予測する処理のことである。この自己回帰モデルは、経済指標予測、気象予測、河川流量予測等に用いられている。そして、動揺予測システム１１のデータ蓄積部１８において、各動揺計測センサ２２からの検知内容が送信されることで過去の動揺波形が計測データとして蓄積される。続いて、動揺予測システム１１の動揺予測部１９において、データ蓄積部１８にて蓄積された過去の動揺波形に基づき自己回帰モデルを用いて、現時点から先の動揺波形を予測することができる。

ウインチ制御システム１２は、ワイヤ１６の先端に吊り下げられている吊荷５が、作業船３の動揺の影響を受けて上下方向に沿って動揺する動作をキャンセルするようにして、ドラム１５からの単位時間当たりのワイヤ繰り出し量及びワイヤ巻き上げ量を制御するものである。すなわち、ウインチ制御システム１２は、作業船３（クレーン２）が波浪Ｗの影響を受けて上下方向に動揺した場合でも、吊荷５の上下方向の動揺を極力抑制するために設けてある。そして、ウインチ制御システム１２は、吊荷５の重量が１０トン以上、詳しくは、最大５００トンまでの範囲で対応可能な構成であり、回転軸２５Ａを有する駆動装置であるエンジン２５と、動揺予測システム１１の動揺予測部１９からの信号に基づいて、該動揺予測部１９で予測した現時点から先の動揺波形に対応した、ウインチ１０のドラム１５の回転速度を演算する演算装置２６と、該演算装置２６からの信号に基づき、エンジン２５の回転軸２５Ａから減速機構３２を経由してウインチ１０に伝達される回転速度を制御するトルクコンバータ２７と、を備えている。当該ウインチ制御システム１２は、トルクコンバータ２７とウインチ１０のドラム１５との間に減速機構３２を配置して構成される。当該ウインチ制御システム１２の構成は、本ウインチ制御システム１２に要求される大荷重に対応することが可能な仕様となっており、エンジン２５は、大出力が得られるディーゼルエンジン等の内燃機関が採用されている。

演算装置２６とトルクコンバータ２７（制御バルブ３８）とは、演算装置２６からの信号に基づいて、トルクコンバータ２７の作動を制御するトルクコンバータ制御装置３０を介して電気的に接続されている。エンジン２５の回転軸２５Ａからの回転は、トルクコンバータ２７に伝達される。トルクコンバータ２７からの回転は、減速機構３２に伝達される。減速機構３２からの回転は、中間歯車３３及び平歯車３４を介してウインチ１０のドラム１５に伝達される。そして、トルクコンバータ２７からの回転は、減速機構３２により減速、増力されてウインチ１０のドラム１５に伝達される。なお、本実施形態では、トルクコンバータ２７からの回転は、減速機構３２、中間歯車３３及び平歯車３４を介してウインチ１０のドラム１５に伝達されているが、トルクコンバータ２７からの回転を減速、増力してドラム１５に伝達することができれば、この実施形態に限ることはない。

演算装置２６には、シーケンサー（ＰＬＣ）が採用される。該演算装置２６は、動揺予測システム１１の動揺予測部１９からの信号、すなわち作業船３の、予測された現時点から先の動揺波形に基づいて、ドラム１５の回転速度を演算するものである。詳しくは、動揺予測システム１１の動揺予測部１９から受信される、作業船３の現時点から先の動揺波形に対して、吊荷５の動揺を振幅方向（縦軸）及び位相方向（横軸）にて打ち消すように、ドラム１５の回転速度（ドラム１５からの単位時間当たりのワイヤ繰り出し量または巻き上げ量（図３の直線Ｌ１及びＬ２参照））を演算するものである。トルクコンバータ制御装置３０は、演算装置２６にて演算されたドラム１５の回転速度、すなわち演算されたトルクコンバータ２７の出力側の回転速度に基づいて、トルクコンバータ２７の作動を制御すべく、その信号をトルクコンバータ２７の、クラッチピストン３９への油圧を制御する制御バルブ３８に送信するものである。

トルクコンバータ２７は、互いのクラッチプレート４０、４０の結合度合いを制御することにより、入力された回転速度（回転トルク）に対して、出力側の回転速度（回転トルク）を広範囲に変化させることが可能な流体式無段変速装置である。そして、本実施形態では、トルクコンバータ２７は、トルクコンバータ制御装置３０からの信号が制御バルブ３８に送信され、クラッチピストン３９への油圧が制御されると共に各クラッチプレート４０、４０の結合度合いが制御されることで、出力側の回転方向及び回転速度が制御される。

なお、ウインチ１０には、回転速度センサ４３が配置されている。該回転速度センサ４３により、ドラム１５の回転速度が常時検出されている。当該回転速度センサ４３からの検出内容が、ウインチ制御システム１２の演算装置２６に送信される。そして、演算装置２６では、動揺予測システム１１の動揺予測部１９からの信号に基づいて演算された回転速度と、回転速度センサ４３からの実際の回転速度とを比較して、実際の回転速度が演算された回転速度に対して許容範囲を超えて異なる場合には、実際の回転速度が演算された回転速度に補正されるように、トルクコンバータ制御装置３０に対してその信号が送信される。

次に、本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置１の作用について、図２を参照しながら、適宜図１、図３～図５も参照しながら説明する。
ステップＳ１では、常時、作業船３に設けた各動揺計測センサ２２からの検出内容が動揺予測システム１１のデータ蓄積部１８に送信される。そして、当該データ蓄積部１８において、各動揺計測センサ２２からの検出内容に基づき、作業船３の、現時点までの動揺波形が演算されて計測データとして蓄積される。続いて、ステップＳ２では、動揺予測システム１１において、そのデータ蓄積部１８にて蓄積された、作業船３の過去の動揺波形（計測データ）が動揺予測部１９に送信される。そして、動揺予測部１９において、データ蓄積部１８にて蓄積された過去の動揺波形に基づき自己回帰モデルを用いて、現時点から先の動揺波形を予測する。

次に、ステップＳ３では、動揺予測システム１１の動揺予測部１９にて予測された、作業船３の現時点から先の動揺波形が、演算装置２６に送信される。そして、演算装置２６では、作業船３の、予測された現時点から先の動揺波形に基づいて、ドラム１５の回転速度が演算される。詳細には、上述したように、演算装置２６では、図３に示すように、動揺予測システム１１から受信した、作業船３の現時点から先の動揺波形に対して、吊荷５の動揺を振幅方向（縦軸）及び位相方向（横軸）にて打ち消すように、ドラム１５の回転速度（ドラム１５からの単位時間当たりのワイヤ繰り出し量またはワイヤ巻き上げ量（図３の直線Ｌ１及びＬ２参照））を演算する。続いて、ステップＳ４では、演算装置２６にて演算されたドラム１５の回転速度に相当する制御信号がトルクコンバータ制御装置３０に送信される。そして、トルクコンバータ制御装置３０では、演算装置２６にて演算されたドラム１５の回転速度、すなわち演算されたトルクコンバータ２７の出力側の回転速度に到達するように、トルクコンバータ２７の作動を制御すべく、その制御信号をトルクコンバータ２７の、クラッチピストン３９への油圧を制御する制御バルブ３８に送信する。

次に、ステップＳ５では、演算装置２６にて演算された回転速度にて、トルクコンバータ２７からの回転が減速機構３２、中間歯車３３及び平歯車３４を介してウインチ１０に伝達されて、ウインチ１０のドラム１５が回転される。このとき、トルクコンバータ２７からの回転は、減速機構３２により減速、増力されてウインチ１０のドラム１５に伝達される。そして、ウインチ１０のドラム１５であって、その単位時間当たりのワイヤ巻き上げ量（ドラム１５のワイヤ巻き上げ方向の回転速度であって、図３の右上がりの直線Ｌ１に相当）、及びワイヤ繰り出し量（ドラム１５のワイヤ繰り出し方向の回転速度であって、図３の右下がりの直線Ｌ２に相当）が、作業船３の動揺に伴って制御されることで、図５（ａ）～（ｄ）から解るように、ワイヤ１６の先端に吊り下げられている吊荷５を、その動揺を抑制しながら（図５における吊荷５の高さがほぼ一定の直線状に延びる動揺軌跡線Ｌ３参照）、所定位置に向かって設置、または所定位置から揚重することができる。なお、図４からも解るように、本吊荷動揺抑制装置１を採用した場合には、採用していない場合に比べて、吊荷５の上下方向の動揺が抑制されていることが解る。

ここで、図３に示すように、動揺予測システム１１の動揺予測部１９により予測された、作業船３の数秒後の動揺予測に対して、その動揺を打ち消すタイミングにて、ウインチ１０のドラム１５の回転速度及び回転方向が制御されるように、動揺予測システム１１からの信号によるトルクコンバータ２７の応答性を考慮する必要がある。なお、上述したステップＳ１～Ｓ５では、作業船３の動揺に伴う吊荷５の動揺を抑制すべく回転速度にてウインチ１０のドラム１５を回転させているが、実際には、吊荷５を所定位置に向かって降下させるためのドラム１５の回転速度、吊荷５を所定位置から吊り上げるためのドラム１５の回転速度、または吊荷５を停止状態とするドラム１５の回転速度に、吊荷５の動揺を抑制するためのドラム１５の回転速度を加味したうえでドラム１５が回転されることになる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置１は、特に、作業船３の現時点から先の動揺を予測する、データ蓄積部１８及び動揺予測部１９を有する動揺予測システム１１と、ウインチ１０のドラム１５に連結され、動揺予測システム１１の動揺予測部１９からの信号に基づいて、ウインチ１０のドラム１５の回転速度を制御するウインチ制御システム１２と、を備え、該ウインチ制御システム１２は、エンジン２５と、動揺予測システム１１の動揺予測部１９からの信号に基づいて、ウインチ１０のドラム１５の回転速度を演算する演算装置２６と、該演算装置２６からの信号に基づき、エンジン２５の回転軸２５Ａから減速機構３２を経由してウインチ１０のドラム１５に伝達される回転速度を制御するトルクコンバータ２７と、を備えている。

そして、本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置１では、波浪Ｗの影響により作業船３（クレーン２）が動揺（ヒーブ）しても、クレーン２の先端付近からワイヤ１６により吊り下げられている吊荷５を、その動揺を抑制しながら、所定位置に設置する、または所定位置から揚重することが可能になる。これにより、波浪Ｗの影響による作業の停滞を抑制してその作業効率を向上させることで、工期を短縮することができ、その結果、傭船費等を含めたトータルの施工費用を抑えることができる。

また、本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置１では、ウインチ制御システム１２として、特に、エンジン２５及びトルクコンバータ２７を採用しているので、重量１０トン以上、詳しくは最大重量５００トン程度までの吊荷５に対応することができ、しかも、重量５００トン相当の吊荷５に対応できるにも関わらず、吊荷動揺抑制装置１全体をコンパクト化することが可能となる。その結果、本吊荷動揺抑制装置１を、作業船３上の限られたスペースに容易に配置することが可能となる。

そこで、本実施形態に係る吊荷動揺抑制装置１に採用したエンジン２５の代わりに電動モータを採用して、その回転軸の回転に伴う作動油の流れを制御（流量及び流れの方向等を制御）する油圧回路を設け、該油圧回路からの作動油の吐出量により油圧モータの回転軸の回転速度や回転方向を変化させることで、ウインチ１０のドラム１５の回転速度や回転方向を制御することは可能である。しかしながら、この形態では、対応可能な吊荷５の重量がせいぜい１０トン程度までであり、重量１０トン以上、詳しくは最大重量５００トン相当の吊荷５に対応することができない。しかも、この形態にて、最大重量５００トン相当の吊荷５に対応させるためには、各構成部材（電動モータ、油圧回路、油圧モータ等）が大型化して装置全体の専有スペースが相当大きくなる。その結果、この装置全体を作業船３上の限られたスペースに配置することは不可能であり現実的ではない。

さらに、本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置１は、既存の作業船３に容易に設置することができ、非常に取り扱いが良好であり、汎用性に富む。すなわち、大型のクレーン２を有する作業船３には、エンジン２５、トルクコンバータ２７等が既に配備されていることが多く、本吊荷動揺抑制装置１を既存の作業船３に配置するには、動揺計測センサ２２を含む動揺予測システム１１、及び演算装置２６を付加すればよく、その汎用性の点で大いに有効である。

なお、本発明の実施形態に係る吊荷動揺抑制装置１では、ウインチ制御システム１２の駆動装置としてエンジン２５を採用したが、吊荷５の重量によっては電動モータ等を採用してもよい。

１ 吊荷動揺抑制装置，２ クレーン，３ 作業船，５ 吊荷，１０ ウインチ，１１ 動揺予測システム，１２ ウインチ制御システム，１５ ドラム，２５ エンジン（駆動装置、内燃機関），２５Ａ 回転軸，２６ 演算装置，２７ トルクコンバータ，３２ 減速機構

Claims (2)

1. 作業船上のクレーンから吊り下げられた吊荷の動揺を抑制するための吊荷動揺抑制装置であって、
   前記吊荷を前記クレーンを介して昇降させるウインチと、
   前記作業船の、現時点から先の動揺を予測する動揺予測システムと、
   前記ウインチに連結され、前記動揺予測システムからの信号に基づいて、前記ウインチの回転速度を制御するウインチ制御システムと、を備え、
   前記動揺予測システムは、
   前記作業船に設けた動揺計測センサからの検出内容に基づいて、過去の動揺波形を計測データとして蓄積して、当該蓄積された過去の動揺波形に基づき自己回帰モデルを用いて、前記作業船の、現時点から先の動揺を予測可能に構成され、
   前記ウインチ制御システムは、回転軸を有する駆動装置と、該駆動装置の回転軸から前記ウインチに伝達される回転速度を減速して増力する減速機構と、前記動揺予測システムからの信号に基づいて、前記ウインチの回転速度を演算する演算装置と、前記駆動装置と前記減速機構との間に配置され、前記演算装置からの信号に基づき、前記駆動装置の回転軸から前記減速機構を経由して前記ウインチに伝達される回転速度を制御するトルクコンバータと、を備え、
   前記トルクコンバータは、前記演算装置からの信号がトルクコンバータ制御装置を介して制御バルブに送信されることで、クラッチピストンへの油圧が制御されると共に各クラッチプレートの結合度合いが制御され、出力側の回転方向及び回転速度が制御されることを特徴とする吊荷動揺抑制装置。
2. 前記駆動装置は、内燃機関であることを特徴とする請求項１に記載の吊荷動揺抑制装置。

Images