JP7375484B2 - ブームの制振装置 - Google Patents

Description

本発明は、ブームの制振装置に関する。

従来より、代表的な作業車両であるクレーンが知られている。クレーンは、主に走行体と旋回体で構成されている。走行体は、複数の車輪を備え、走行可能としている。旋回体は、伸縮動作などを行うブームのほかにワイヤロープやフックを備え、荷物を吊り上げた状態でこれを運搬可能としている。

ところで、特許文献１のように、ブームは、複数の筒形部材が大きいものから順に収容された多段構造となっている。また、外側の筒形部材と内側の筒形部材との間には、スライド部材が配置されている。そのため、外側の筒形部材に対して内側の筒形部材が進出又は退入する際には、スライド部材と筒形部材との接触部分に摩擦が生じることとなる。従って、かかる接触部分に静摩擦力が作用するスティック状態と動摩擦力が作用するスリップ状態とが交互に現れ、ブームが大きく振動してしまう場合があった。つまり、ブームの伸縮動作時にスティックスリップ現象が発生し、ブームが大きく振動してしまう場合があったのである。

特開２００４－３５１８０号公報

ブームの伸縮動作時にスティックスリップ現象が発生するのを抑え、ひいてはブームが振動するのを防ぐことができるブームの制振装置を提供する。

第一の発明は、
複数の筒形部材が大きいものから順に収容され、
外側の前記筒形部材に対して内側の前記筒形部材が進出又は退入自在となっているブームの制振装置であって、
外側の前記筒形部材と内側の前記筒形部材との間に配置されるスライド部材と、
前記スライド部材に一体又は別体に設けられるアクチュエータ部材と、を備えており、
外側の前記筒形部材に対して内側の前記筒形部材が進出又は退入する際に前記アクチュエータ部材の作動によって前記スライド部材を微振動させる、ものである。

第二の発明は、第一の発明に係るブームの制振装置において、
前記アクチュエータ部材が圧電素子で構成されており、
前記圧電素子の逆圧電効果を利用して前記スライド部材を微振動させる、ものである。

第三の発明は、第二の発明に係るブームの制振装置において、
前記スライド部材を、前記筒形部材の摺動面に対して平行な折り返し点がない無端軌道に沿って微振動させる、ものである。

第四の発明は、第一から第三のいずれかの発明に係るブームの制振装置において、
前記ブームの稼働状況を把握できるコントローラを備えており、
前記コントローラが前記ブームの伸縮長さ及び伸縮速度及び起伏角度のうちの少なくとも一つに基づいて前記スライド部材を微振動させるか否かを判断する、ものである。

第一の発明に係るブームの制振装置は、外側の筒形部材と内側の筒形部材との間に配置されるスライド部材と、スライド部材に一体又は別体に設けられるアクチュエータ部材と、を備えている。そして、外側の筒形部材に対して内側の筒形部材が進出又は退入する際にアクチュエータ部材の作動によってスライド部材を微振動させる。このようなブームの制振装置によれば、ブームの伸縮動作時にスライド部材と筒形部材との摩擦がスリップ状態に維持される。従って、ブームの伸縮動作時にスティックスリップ現象が発生するのを抑え、ひいてはブームが振動するのを防ぐことができる。

第二の発明に係るブームの制振装置は、アクチュエータ部材が圧電素子で構成されている。そして、圧電素子の逆圧電効果を利用してスライド部材を微振動させる。このようなブームの制振装置によれば、アクチュエータ部材の簡素化・小型化を実現できる。これにより、外側の筒形部材と内側の筒形部材との間に容易に収めることができる。

第三の発明に係るブームの制振装置は、前記スライド部材を、前記筒形部材の摺動面に対して平行な折り返し点がない無端軌道に沿って微振動させる。このようなブームの制振装置によれば、スライド部材が停止することなく常に移動している状態を実現できる。これにより、確実にスライド部材と筒形部材との摩擦をスリップ状態で維持することができる。

第四の発明に係るブームの制振装置は、ブームの稼働状況を把握できるコントローラを備えている。そして、コントローラがブームの伸縮長さ及び伸縮速度及び起伏角度のうちの少なくとも一つに基づいてスライド部材を微振動させるか否かを判断する。このようなブームの制振装置によれば、スティックスリップ現象が発生する条件下でのみ稼働することができる。これにより、電力消費を抑え、かつ製品寿命を長く保つことができる。

クレーンを示す図。 制御システムを示す図。 ブームの伸縮構造を示す図。 筒形部材における先端部分を示す図。 筒形部材からスライド部材とアクチュエータ部材を展開した状態を示す図。 アクチュエータ部材の構成を示す図。 スライド部材に対するアクチュエータ部材の配置を示す図。 スライド部材に対するアクチュエータ部材の配置を示す図。 複数の圧電素子でスライド部材を微振動させたときの振動態様を示す図。 スライド部材を微振動させる領域を示す図。

本発明の技術的思想は、伸縮自在のブームを備えたクレーンに適用できる。また、他の作業車両にも適用できる。

まず、図１を用いて、クレーン１について説明する。

クレーン１は、主に走行体２と旋回体３で構成されている。

走行体２は、左右一対の前輪２１と後輪２２を備えている。また、走行体２は、荷物Ｌの運搬作業を行う際に接地させて安定を図るアウトリガ２３を備えている。なお、走行体２は、アクチュエータによって、その上部に支持する旋回体３を旋回自在としている。

旋回体３は、その後部から前方へ突き出すようにブーム３１を備えている。そのため、ブーム３１は、油圧モーターによって旋回自在となっている（矢印Ａ参照）。また、ブーム３１は、油圧シリンダによって伸縮自在となっている（矢印Ｂ参照）。更に、ブーム３１は、油圧シリンダによって起伏自在となっている（矢印Ｃ参照）。

加えて、ブーム３１には、ワイヤロープ３２が架け渡されている。ブーム３１の先端部分から垂下するワイヤロープ３２には、フック３３が取り付けられている。また、ブーム３１の基端側近傍には、ウインチ３４が配置されている。ウインチ３４は、油圧モーターと一体的に構成されており、ワイヤロープ３２の巻き入れ及び巻き出しを可能としている。そのため、フック３３は、昇降自在となっている（矢印Ｄ参照）。なお、旋回体３は、ブーム３１の側方にキャビン３５を備えている。キャビン３５の内部には、旋回用レバー５１や伸縮用レバー５２、起伏用レバー５３、巻回用レバー５４などが設けられている（図２参照）。

次に、図２を用いて、制御システム４について説明する。

制御システム４は、主にコントローラ４０と各種レバー５１～５４と各種バルブ５５～５８で構成されている。また、コントローラ４０には、各種センサ６１～６４が接続されている。

コントローラ４０は、情報記憶部４１を有している。情報記憶部４１は、クレーン１の制御に要する様々なプログラムが記憶されている。

また、コントローラ４０は、情報処理部４２を有している。情報処理部４２は、各種レバー５１～５４の操作量を電気信号に変換し、油圧モーターや油圧シリンダを稼動させる各種バルブ５５～５８へ送信する。こうして、コントローラ４０は、ブーム３１の稼動（旋回動作・伸縮動作・起伏動作）及びウインチ３４の稼動（巻入動作・巻出動作）を実現する。

詳しく説明すると、ブーム３１は、油圧モーターによって旋回自在となっている（図１における矢印Ａ参照）。本願においては、かかる油圧モーターを旋回用モーター３６と定義する（図１参照）。旋回用モーター３６は、方向制御弁である旋回用バルブ５５によって適宜に稼動される。なお、旋回用バルブ５５は、コントローラ４０の指示に基づいて稼動される。ブーム３１の旋回角度や旋回速度は、旋回用センサ６１によって検出される。

また、ブーム３１は、油圧シリンダによって伸縮自在となっている（図１における矢印Ｂ参照）。本願においては、かかる油圧シリンダを伸縮用シリンダ３７と定義する（図１参照）。伸縮用シリンダ３７は、方向制御弁である伸縮用バルブ５６によって適宜に稼動される。なお、伸縮用バルブ５６は、コントローラ４０の指示に基づいて稼動される。ブーム３１の伸縮長さや伸縮速度は、伸縮用センサ６２によって検出される。

更に、ブーム３１は、油圧シリンダによって起伏自在となっている（図１における矢印Ｃ参照）。本願においては、かかる油圧シリンダを起伏用シリンダ３８と定義する（図１参照）。起伏用シリンダ３８は、方向制御弁である起伏用バルブ５７によって適宜に稼動される。なお、起伏用バルブ５７は、コントローラ４０の指示に基づいて稼動される。ブーム３１の起伏角度や起伏速度は、起伏用センサ６３によって検出される。

加えて、フック３３は、油圧モーターによって昇降自在となっている（図１における矢印Ｄ参照）。本願においては、かかる油圧モーターを巻回用モーター３９と定義する（図１参照）。巻回用モーター３９は、方向制御弁である巻回用バルブ５８によって適宜に稼動される。なお、巻回用バルブ５８は、コントローラ４０の指示に基づいて稼動される。フック３３の吊下長さや昇降速度は、巻回用センサ６４によって検出される。

次に、図３を用いて、ブーム３１の伸縮構造について説明する。

以下においては、ブーム３１の基端側の筒形部材を「外側の筒形部材」と表し、かかる筒形部材に収容された筒形部材を「内側の筒形部材」と表す。そのため、筒形部材３１Ａを「外側の筒形部材」とするならば筒形部材３１Ｂが「内側の筒形部材」となり、筒形部材３１Ｂを「外側の筒形部材」とするならば筒形部材３１Ｃが「内側の筒形部材」となる。

ブーム３１は、複数の筒形部材３１Ａ・３１Ｂ・３１Ｃ・・・が大きいものから順に収容された多段構造となっている。また、ブーム３１は、外側の筒形部材に対して内側の筒形部材が進出又は退入自在となっている。例えば、筒形部材３１Ｂを「外側の筒形部材」とし、筒形部材３１Ｃを「内側の筒形部材」とした場合、筒形部材３１Ｂに対して筒形部材３１Ｃが進出又は退入自在となっている（図３における矢印Ｓ参照）。

加えて、筒形部材３１Ａ・３１Ｂ・３１Ｃ・・・は、それぞれが支持するものの重みによって倒伏する方向に荷重が掛かっている。このとき、最先端の筒形部材３１Ｆを除き、それぞれの筒形部材３１Ａ・３１Ｂ・３１Ｃ・・・における先端部分の下面側に大きな荷重が掛かることとなる。例えば、筒形部材３１Ｂを「外側の筒形部材」とし、筒形部材３１Ｃを「内側の筒形部材」とした場合、筒形部材３１Ｂにおける先端部分の下面側に大きな荷重が掛かることとなる（図３における矢印Ｆ参照）。なお、かかる荷重は、筒形部材３１Ｂに対して筒形部材３１Ｃが進出しており、かつフック３３で荷物Ｌを吊り上げた状態のときに最も大きな値となる。

次に、図３から図９を用いて、ブーム３１の制振装置７・８について説明する。

制振装置７は、主にスライド部材７１とアクチュエータ部材７２で構成されている（図３参照）。

スライド部材７１は、内側の筒形部材における後端上部の外周面に取り付けられて外側の筒形部材の内周面に対して摺動自在に接触するものである。例えば、筒形部材３１Ｂを「外側の筒形部材」とし、筒形部材３１Ｃを「内側の筒形部材」とした場合、スライド部材７１は、筒形部材３１Ｃにおける後端上部の外周面に取り付けられて筒形部材３１Ｂの内周面に対して摺動自在に接触するものである。

アクチュエータ部材７２は、外側の筒形部材に対して内側の筒形部材が進出又は退入する際にスライド部材７１を微振動させるものである。前述したように、筒形部材３１Ｂを「外側の筒形部材」とし、筒形部材３１Ｃを「内側の筒形部材」とした場合、アクチュエータ部材７２は、筒形部材３１Ｂに対して筒形部材３１Ｃが進出又は退入する際にスライド部材７１を微振動させるものである。

同様に、制振装置８も、主にスライド部材８１とアクチュエータ部材８２で構成されている（図３参照）。本クレーン１においては、制振装置７と制振装置８が同じ制振機能を有するものであるから、以降は制振装置８を用いて詳しく説明する。但し、制振装置７と制振装置８のいずれか一方のみが制振機能を有するとしてもよい。

スライド部材８１は、外側の筒形部材における先端下部の内周面に取り付けられて内側の筒形部材の外周面に対して摺動自在に接触するものである。例えば、筒形部材３１Ｂを「外側の筒形部材」とし、筒形部材３１Ｃを「内側の筒形部材」とした場合、スライド部材８１は、筒形部材３１Ｂにおける先端下部の内周面に取り付けられて筒形部材３１Ｃの外周面に対して摺動自在に接触するものである。

また、スライド部材８１は、筒形部材３１Ｂの軸方向に対して平行となる縦溝が形成されている。そのため、スライド部材８１は、縦溝で曲がるために可撓性があり、筒形部材３１Ｂにおける下方側湾曲面に沿って固定されることとなる。なお、スライド部材８１は、筒形部材３１Ｂの内周面に溶接された横方側規制具３１ｓ・３１ｓに案内され、同じく筒形部材３１Ｂの内周面に溶接された基端側規制具３１ｔに当接するまで押し込まれる。その後、スライド部材８１は、筒形部材３１Ｂのフランジ部に先端側規制具３１ｕがボルト留めされることにより、僅かなガタツキを残して固定されることとなる。

アクチュエータ部材８２は、外側の筒形部材に対して内側の筒形部材が進出又は退入する際にスライド部材８１を微振動させるものである。前述したように、筒形部材３１Ｂを「外側の筒形部材」とし、筒形部材３１Ｃを「内側の筒形部材」とした場合、アクチュエータ部材８２は、筒形部材３１Ｂに対して筒形部材３１Ｃが進出又は退入する際にスライド部材８１を微振動させるものである。

また、アクチュエータ部材８２は、主に圧電素子８３で構成されている。圧電素子８３は、分極処理を施したセラミックスである圧電体８３ｂと圧電体８３ｂを挟み込む電極８３ｔ・８３ｔとを重ね合わせた構造となっている（図６参照）。圧電素子８３は、圧電体８３ｂに対して電圧が印加されると、セラミックスの結晶体内のイオンが相対的にズレて歪が生じることとなる。電圧の印加によって歪が生じる現象を「逆圧電効果」という。圧電素子８３は、電源装置８４の交流電圧によって断続的に作動する（図２参照）。なお、本実施形態においてアクチュエータ部材８２は、スライド部材８１と筒形部材３１Ｂとの間に配置されている。このように、スライド部材８１とアクチュエータ部材８２が別体であるときは、スライド部材８１とアクチュエータ部材８２を重ねた状態で取り付ける必要がある。

この点、スライド部材８１とアクチュエータ部材８２が別体であるのではなく、スライド部材８１とアクチュエータ部材８２が一体となっていてもよい。例えば、第二実施形態のように、スライド部材８１の裏面側にアクチュエータ部材８２が接着されていてもよい（図７の（Ａ）参照）。また、第三実施形態のように、スライド部材８１の表面側にアクチュエータ部材８２が接着されていてもよい（図７の（Ｂ）参照）。更に、第四実施形態のように、スライド部材８１の側面側にアクチュエータ部材８２が接着されていてもよい（図８の（Ｃ）参照）。或いは、第五実施形態のように、スライド部材８１の内部にアクチュエータ部材８２が内装されていてもよい（図８の（Ｄ）参照）。このような場合、スライド部材８１そのものがアクチュエータ部材８２の機能を有しているともいえるし、アクチュエータ部材８２そのものがスライド部材８１の機能を有しているともいえる。

ところで、スライド部材８１の微振動に関し、ある技術的特徴を限定することが好ましい。即ち、図９に示すように、スライド部材８１を筒形部材３１Ｃの摺動面（外周面）に対して平行に閉ループ状に微振動させるのである。「閉ループ状」とは、その軌道に折り返し点がない円形や楕円形を含む無端軌道となるものを指す（図９における矢印Ｖ参照）。このようにするのは、折り返し点でスリップ状態からスティック状態に移行するのを防ぐためである。このような振動態様を実現するには、アクチュエータ部材８２が複数の圧電素子８３で構成されており、それぞれ適宜な分極方向或いは取付方向に置かれた圧電素子８３を適宜なタイミングで作動する必要がある。なお、湾曲しているスライド部材８１でこのような振動態様を実現するのは困難であるが、スライド部材８１を複数に分割し、各スライド部材８１ごとにアクチュエータ部材８２を備えるとすれば実現容易である。

次に、図１０を用いて、スライド部材８１を微振動させる領域について説明する。

前述したように、筒形部材３１Ａ・３１Ｂ・３１Ｃ・・・は、それぞれが支持するものの重みによって倒伏する方向に荷重が掛かっている。かかる荷重は、ブーム３１の伸縮長さや起伏角度によって変化することが自明である。

すると、スティックスリップ現象は、摩擦に起因する自励振動であることから、ブーム３１の伸縮長さ（クレーン１の作業半径）や起伏角度が発生の有無に大きく関わるものと考えられる。そのため、本クレーン１においては、スティックスリップ現象が発生しやすい、作業半径がＬ１（ｍ）以上Ｌ２（ｍ）未満、ブーム３１の起伏角度がθ１（°）以上θ２（°）未満などの条件を満たすときにスライド部材８１を微振動させるとしてもよい。

また、スティックスリップ現象は、摩擦に起因する自励振動であることから、ブーム３１の伸縮速度も発生の有無に大きく関わるものと考えられる。そのため、本クレーン１においては、ブーム３１の伸縮長さや起伏角度の条件に加えて或いはこれらの条件に関わらず、スティックスリップ現象が発生しやすい、伸縮速度がＳ１（ｍ／ｓ）以上Ｓ２（ｍ／ｓ）未満などの条件を満たすときにスライド部材８１を微振動させるとしてもよい。

以上が本願発明の技術的思想を適用したクレーン１の説明である。以下に本願発明の技術的思想とその効果についてまとめる。

第一の発明に係るブーム３１の制振装置８は、外側の筒形部材（例えば筒形部材３１Ｂ）と内側の筒形部材（例えば筒形部材３１Ｃ）との間に配置されるスライド部材８１と、スライド部材８１に一体又は別体に設けられるアクチュエータ部材８２と、を備えている。そして、外側の筒形部材（３１Ｂ）に対して内側の筒形部材（３１Ｃ）が進出又は退入する際にアクチュエータ部材８２の作動によってスライド部材８１を微振動させる。このようなブーム３１の制振装置８によれば、ブーム３１の伸縮動作時にスライド部材８１と筒形部材（３１Ｃ）との摩擦がスリップ状態に維持される。従って、ブーム３１の伸縮動作時にスティックスリップ現象が発生するのを抑え、ひいてはブーム３１が振動するのを防ぐことができる。

第二の発明に係るブーム３１の制振装置８は、アクチュエータ部材８２が圧電素子８３で構成されている。そして、圧電素子８３の逆圧電効果を利用してスライド部材８１を微振動させる。このようなブーム３１の制振装置８によれば、アクチュエータ部材８２の簡素化・小型化を実現できる。これにより、外側の筒形部材（３１Ｂ）と内側の筒形部材（３１Ｃ）との間に容易に収めることができる。

第三の発明に係るブーム３１の制振装置８は、スライド部材８１を筒形部材（３１Ｃ）の摺動面（外周面）に対して平行に閉ループ状に微振動させる。このようなブーム３１の制振装置８によれば、スライド部材８１が停止することなく常に移動している状態を実現できる。これにより、確実にスライド部材８１と筒形部材（３１Ｃ）との摩擦をスリップ状態で維持することができる。

第四の発明に係るブーム３１の制振装置８は、ブーム３１の稼働状況を把握できるコントローラ４０を備えている。そして、コントローラ４０がブーム３１の伸縮長さ及び伸縮速度及び起伏角度のうちの少なくとも一つに基づいてスライド部材８１を微振動させるか否かを判断する。このようなブーム３１の制振装置８によれば、スティックスリップ現象が発生する条件下でのみ稼働することができる。これにより、電力消費を抑え、かつ製品寿命を長く保つことができる。

最後に、本願においては、第一の発明に係るブーム３１の制振装置８についても、アクチュエータ部材８２が圧電素子８３で構成されており、圧電素子８３の作動によってスライド部材８１を微振動させると説明した。しかし、スライド部材８１の微振動によってスライド部材８１と筒形部材（例えば筒形部材３１Ｃ）との摩擦がスリップ状態に維持されるのであれば、これに限定するものではない。従って、第一の発明に係るブーム３１の制振装置８については、アクチュエータ部材８２が電動モーターや電動ソレノイドで構成されていてもよい。

１ クレーン
２ 走行体
３ 旋回体
４ 制御システム
８ 制振装置
３１ ブーム
３１Ａ 筒形部材
３１Ｂ 筒形部材
３１Ｃ 筒形部材
４０ コントローラ
８１ スライド部材
８２ アクチュエータ部材
８３ 圧電素子
８３ｂ 圧電体
８３ｔ 電極

Claims (4)

1. 複数の筒形部材が大きいものから順に収容され、
   外側の前記筒形部材に対して内側の前記筒形部材が進出又は退入自在となっているブームの制振装置であって、
   外側の前記筒形部材と内側の前記筒形部材との間に配置されるスライド部材と、
   前記スライド部材に一体又は別体に設けられるアクチュエータ部材と、を備えており、
   外側の前記筒形部材に対して内側の前記筒形部材が進出又は退入する際に前記アクチュエータ部材の作動によって前記スライド部材を微振動させる、ことを特徴とするブームの制振装置。
2. 前記アクチュエータ部材が圧電素子で構成されており、
   前記圧電素子の逆圧電効果を利用して前記スライド部材を微振動させる、ことを特徴とする請求項１に記載のブームの制振装置。
3. 前記スライド部材を、前記筒形部材の摺動面に対して平行な折り返し点がない無端軌道に沿って微振動させる、ことを特徴とする請求項２に記載のブームの制振装置。
4. 前記ブームの稼働状況を把握できるコントローラを備えており、
   前記コントローラが前記ブームの伸縮長さ及び伸縮速度及び起伏角度のうちの少なくとも一つに基づいて前記スライド部材を微振動させるか否かを判断する、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のブームの制振装置。

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