BRPI1010334A2

BRPI1010334A2 - sistema para determinar a massa de carga de uma carga carregada por um cabo de içamento de um guindaste

Info

Publication number: BRPI1010334A2
Authority: BR
Inventors: Klaus Schnelder; Martin Amann; Mathias Schneller; Oliver Sawodny; Sebastian Kuechler
Original assignee: Liebherr Werk Nenzing
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-12-18
Also published as: JP5933915B2; CA2714913A1; CA2714913C; EP2298687B1; RU2537728C2; KR20110030398A; CN102020199B; JP2011079674A; CN102020199A; ES2617505T3; AU2010219433A1; US8949058B2; EP2298687A3; DE102009041662A1; AU2010219433B2; RU2010138232A; EP2298687A2; US20110066394A1

Abstract

SISTEMA PARA DETERMINAR A MASSA DE CARGA DE UMA CARGA CARREGADA POR UM CABO DE IçAMENTO DE UM GUINDASTE. A presente invenção refere-se a um sistema para determinar a massa de carga de uma carga carregada por um cabo de içamento de um guindaste, o dito sistema compreendendo um dispositivo de medição para medir a carga de cabo no cabo de içamento e uma unidade de cálculo para determinar a massa de carga na base da força de cabo, em que a unidade de cálculo tem uma unidade de compensação que descreve e pelo menos compensa parcialmente o efeito da determinação indireta da massa de carga via a força do cabo em um modelo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA PARA DETERMINAR A MASSA DE CARGA DE UMA CARGA CARRE- GADA POR UM CABO DE IÇAMENTO DE UM GUINDASTE".

A presente invenção refere-se a um sistema para determinar a massa de carga de uma carga carregada por um cabo de içamento de um guindaste, tendo um dispositivo de medição para medir a força do cabo e tendo uma unidade de cálculo para determinar a massa de carga na base da força do cabo.

A determinação exata da massa de carga de uma carga elevada por um guindaste é de grande importância para uma pluralidade de aplica- ções: por exemplo, a massa de carga é importante para o sistema de limita- ção do momento de carga do guindaste, isto é, para a proteção contra a in- clinação e para a proteção estrutural. Em adição, a massa de carga é de grande importância para a aquisição de dado com relação ao desempenho do guindaste. A carga útil total a ser transferida pode, em particular, ser de- terminada por uma determinação exata da massa de carga. A massa de carga é além disso também de grande importância como um parâmetro para outras tarefas de controle no guindaste tal como um amortecimento de osci- lação de carga.

Um processo comum para determinar a massa de carga é a me-

dição da força do cabo no cabo de içamento. A força de cabo no cabo de içamento neste aspecto substancialmente corresponde à massa de carga pelo menos em um estado estático.

O dispositivo de medição para medição da força do cabo pode neste aspecto ser disposto diretamente no meio de suspensão de carga. Esta disposição no meio de suspensão de carga tem a vantagem que ape- nas algumas poucas influências de distúrbio estão presentes aqui e uma precisão maior pode assim ser conseguida. A desvantagem desta solução é, todavia, que uma fonte de força e uma correspondente linha de sinal para o meio de suspensão da carga são necessárias.

Uma outra possibilidade é a disposição de um dispositivo de medição na região de conexão entre a estrutura de guindaste e o cabo de içamento, por exemplo, em uma polia de deflexão ou na engrenagem de i- çamento. Isto tem a vantagem que o dispositivo de medição pode ser torna- do muito robusto e o cabo tornado relativamente simples. É desvantajoso nesta disposição do dispositivo de medição em que outras influências de distúrbios vem a dificultar mais uma determinação exata da massa da força do cabo.

Neste aspecto, já é conhecido usar filtros médios para determi- nar a força do cabo. Por um lado, isto tem a desvantagem, todavia, que um retardo relativamente alto na saída de sinal tem de ser aceito. Por outro lado, uma pluralidade de influências de distúrbios não pode ser eliminada via um filtro médio.

É, portanto, um objetivo da presente invenção prover um sistema para determinar uma massa de carga de uma carga carregada pelo cabo de içamento que permite uma determinação melhorada da massa de carga com base na força do cabo.

Este objetivo é atingido de acordo com a presente invenção por um aparelho de acordo com a reivindicação 1. O sistema de acordo com a invenção para determinar a massa de carga de uma carga carregada por um cabo de içamento neste aspecto compreende um dispositivo de medição para medir a força do cabo no cabo de içamento e uma unidade de cálculo para determinar a massa de carga na base da força do cabo. De acordo com a invenção, a unidade de cálculo possui uma unidade de compensação que descreve a influência da determinação indireta da massa de carga via a for- ça do cabo em um modelo e pelo menos parcialmente compensa quando determinar a massa de carga.

A provisão pode ser feita, por um lado, neste aspecto em que a unidade de compensação pelo menos compensa parcialmente as influências estáticas da determinação indireta da massa de carga via a força do cabo. Por tal propósito, de acordo com a invenção, as influências estáticas da de- terminação indireta são modeladas e compensadas pela unidade de com- pensação. Uma determinação substancialmente mais precisa da massa de carga com isto resulta que não era possível absolutamente via filtros de valor médio, uma vez que eles não podem eliminar influências estáticas absolu- tamente.

A provisão pode ser alternativa ou adicionalmente feita em que a unidade de compensação também pelo menos parcialmente compensa as influências dinâmicas da determinação indireta da massa de carga via a for- ça do cabo. A provisão é também feita para este propósito que a unidade de compensação modela as influências dinâmicas e compensa a massa de carga na determinação.

A provisão é vantajosamente feita de acordo com a invenção em que a unidade de compensação é baseada em um modelo físico do proce- dimento de elevação que modela as influências estáticas e/ou dinâmicas da determinação indireta da massa de carga via a força do cabo. A unidade de compensação pode pelo menos compensar parcialmente estas influências estáticas e/ou dinâmicas por tal modelo. A provisão é vantajosamente feita neste aspecto em que a uni-

dade de compensação trabalha na base de dados sobre a posição e/ou mo- vimento do guindaste.

Nesse aspecto, o dado sobre a posição e/ou movimento da en- grenagem de içamento e/ou dado sobre a posição e/ou movimento da lança e/ou da torre são vantajosamente incluídos na unidade de compensação.

O sistema de acordo com a invenção é em particular usado nes- se aspecto nos guindastes de lança Derrick em que uma lança pode ser va- riada para cima e para baixo em torno de um eixo de alcance variável e pode ser girada via uma torre ou superestrutura em torno de um eixo vertical de rotação.

A provisão é vantajosamente feita neste aspecto em que o dis- positivo de medição é disposto em um elemento de conexão entre um ele- mento da estrutura de guindaste e o cabo de içamento, em particular numa polia de deflexão ou na engrenagem de içamento.. A provisão é vantajosa- mente feita neste aspecto que a unidade de compensação pelo menos par- cialmente compensa a influência estática e/ou dinâmica do dispositivo de medição. A unidade de compensação neste aspecto compensa vantajosa- mente as influências da disposição do dispositivo de medição na força do cabo.

A provisão é vantajosamente feita neste aspecto em que a uni- dade de compensação inclui uma compensação de massa de cabo que leva em conta o peso líquido do cabo de içamento. O cabo de içamento tem um peso líquido que não deve ser negligenciado e que não mais deturpa a de- terminação da massa de carga devido à presente invenção. A unidade de compensação nesse aspecto leva em conta vantajosamente a influência da mudança na extensão do cabo em elevação e/ou em abaixamento da carga no cálculo da massa de carga. O peso líquido do cabo de içamento tem uma influência diferente na força do cabo dependendo da fase de elevação devi- do à mudança na extensão do cabo. O sistema de acordo com a invenção leva isto em conta.

O sistema é, neste aspecto, vantajosamente usado em uma en- grenagem de içamento que inclui um guincho, com o ângulo de rotação e/ou a velocidade de rotação do guincho sendo incluído na compensação de massa de cabo com um valor de entrada. A extensão do cabo e/ou a veloci- dade de cabo pode ser determinada na base do ângulo de rotação e/ou na velocidade de rotação e sua influência na força do cabo pode ser levada em conta no cálculo da massa de carga.

Alternativamente, a extensão do cabo e/ou a velocidade do ca- bo pode também ser determinada via um rolo de medição. Este pode, por exemplo ser disposto separadamente no cabo ou pode ser feito como uma polia de deflexão.

A provisão é ainda vantajosamente feita em que a compensação

de massa leva em conta o peso líquido do cabo de içamento enrolado no guincho. Isto é de uma particular vantagem quando o dispositivo de medição é disposto no guincho de içamento para a medição da força do cabo, em particular em um suporte de torque no guincho de içamento, uma vez que então o cabo enrolado no guincho é suportado no dispositivo de medição e assim influencia os valores medidos.

A provisão é ainda vantajosamente feita em que a compensação de massa de cabo leva em conta uma extensão das seções de cabo de iça- mento que muda pelo movimento da estrutura do guindaste e/ou leva em conta o alinhamento das seções de cabo de içamento. Isto é de particular importância em tais guindastes em que o sistema de cabo de içamento mu- da sua extensão ou alinhamento em um movimento da estrutura de guindas- te, em particular em um movimento da lança. Isto é, em particular, o caso em que o cabo não é guiado paralelo à lança no guindaste, porém mais quando o cabo adota um ângulo para a lança que muda por uma variação para cima e para baixo da lança. Dependendo da posição da estrutura do guindaste, em particular da lança, diferentes extensões e/ou alinhamentos das seções do cabo de içamento assim resultam, que por sua vez influenciam o efeito do peso líquido do cabo de içamento no sinal de saída do dispositivo de medi- ção.

A provisão é ainda vantajosamente feita em que a unidade de compensação inclui uma compensação de polia de deflexão que leva em conta os efeitos de fricção devido à deflexão do cabo de içamento em torno de uma ou mais polias de deflexão. Neste aspecto, em particular, o trabalho de flexão requerido para a deflexão do cabo de içamento é vantajosamente levado em conta como um efeito de fricção. Alternativa ou adicionalmente, a fricção de rolo nas polias de deflexão pode também ser levada em conta.

A provisão é vantajosamente feita neste aspecto, em que a compensação de polia de deflexão leva em conta a direção da rotação e/ou da velocidade de rotação das polias de deflexão. Em particular, a direção de rotação neste aspecto possui uma influência não substancial sobre a força do cabo.

A compensação da polia de deflexão neste aspecto calcula van- tajosamente a direção da rotação e/ou a velocidade de rotação das polias de deflexão causadas pelo movimento da estrutura do guindaste e o movimento da engrenagem de içamento. Em particular com as polias de deflexão multi- axiais do cabo de içamento entre a torre e a lança, os padrões de movimento complicados podem aqui resultar, que têm um efeito correspondente sobre o sinal de saída do dispositivo de medição. A compensação de polia de deflexão neste aspecto determina vantajosamente os efeitos de fricção na dependência da força do cabo me- dida. A força do cabo possui uma influência decisiva sobre os efeitos de fric- ção. Neste aspecto, os efeitos de fricção são vantajosamente determinados na base de uma função linear da força do cabo medida uma vez que uma função linear representa uma relativamente boa aproximação da situação física.

Ainda, vantajosamente, a provisão é feita no sistema de acordo com a invenção em que a unidade de compensação leva em conta a influên- cia da aceleração da massa de carga e/ou da engrenagem de içamento so- bre a força do cabo na determinação da massa de carga. A aceleração da massa de carga e/ou da engrenagem de içamento neste aspecto gera um componente dinâmico da força de içamento que é pelo menos parcialmente compensado pela compensação de acordo com a invenção. A unidade de compensação neste aspecto trabalha vantajosamente na base de um mode- lo físico que descreve a influência da aceleração da massa de carga e/ou da engrenagem de içamento sobre a força do cabo.

A provisão é ainda vantajosamente feita em que a unidade de cálculo leva em conta a dinâmica de oscilação, que surge devido à elastici- dade do cabo de içamento, na determinação da massa de carga. Em adição às acelerações que são causadas pelas acelerações induzidas via a engre- nagem de içamento, o sistema de cabo e carga adicionalmente tem dinâmi- ca de oscilação que surge devido à elasticidade do cabo de içamento. A uni- dade de compensação, vantajosamente, pelos menos parcialmente com- pensa estas dinâmicas de oscilação. A unidade de compensação para a compensação das dinâmicas de oscilação está neste aspecto vantajosamen- te baseada no modelo físico.

A unidade de cálculo do sistema de acordo com a invenção nes- te aspecto inclui vantajosamente um observador de massa de carga que é baseado no modelo de massa de mola do cabo e da carga. A massa da car- ga real bem como a massa do meio de suspensão de carga e dos cabos estão neste aspecto vantajosamente descritos no modelo. Em contraste, o cabo entre o guincho e o meio de suspensão de carga é incluído como uma mola no modelo.

O observador de massa de carga nesse aspecto vantajosamente compara constantemente a força do cabo medida com a força do cabo pre- vista com referência ao modelo de massa de mola na base da força de cabo previamente medida. Na base desta comparação, o observador de massa de carga estima a massa de carga da carga que é incluída como um parâmetro no modelo de massa de mola do cabo e da carga. A massa de carga pode aqui ser determinada com alta precisão e com compensação de influências dinâmicas.

O observador de massa de carga neste aspecto vantajosamente leva em conta o ruído de medição dos sinais medidos. Um ruído branco livre dos valores médios é vantajosamente usado para este propósito.

Dados sobre a extensão do cabo são vantajosamente incluídos como sinais medidos em adição ao sinal de saída do dispositivo de medição para determinar a força do cabo. Neste aspecto, a força do cabo normaliza- da com respeito à carga máxima permitida é vantajosamente usada como um parâmetro do observador de massa de carga.

A presente invenção além do mais inclui um guindaste tendo um sistema para a determinação da massa de carga de uma carga carregada por um cabo de içamento, como foi apresentado acima. O guindaste é, neste aspecto, em particular um guindaste de lança em que a lança pode ser vari- ada para cima e para baixo em torno de um eixo de alcance variável horizon- tal. Ainda, vantajosamente, o guindaste pode ser girado em torno de um eixo de rotação vertical. A lança é neste aspecto, em particular, pivotadamente conectada a uma torre que é girável em torno de um eixo de rotação vertical com relação a um trem-de-pouso. A lança pode neste aspecto em particular ser um guindaste móvel do porto. O sistema de acordo com a invenção pode, todavia, similarmente ser usado em outros tipos de guindaste, por exemplo, em guindastes de pórtico ou guindastes de movimento giratório de torre.

Neste aspecto, o sistema podia vantajosamente ser usado em um guindaste em que o dispositivo de medição para medir a força do cabo é disposto em um elemento de conexão entre um elemento da estrutura de guindaste e o cabo de içamento, em particular em uma polia de deflexão ou na engrenagem de içamento. Um dispositivo muito robusto com isto resulta, que entrementes possibilita uma determinação exata da massa de carga devido ao sistema de acordo com a invenção.

Neste aspecto, uma pluralidade de aplicações são possíveis pe- lo sistema de acordo com a invenção, o que não era capaz de ser realizado com conhecidos sistemas imprecisos. Por exemplo, um reconhecedor de cabo frouxo pode ser instalado que reconhece que a carga foi colocada na base do sistema de acordo com a invenção. Um desligamento imediato da engrenagem de içamento por causa disso é iniciado, o que previne o dano ao cabo devido aos cabos desenrolados. As chaves do cabo frouxo mecâni- cas podem assim opcionalmente ser dispensadas. Em adição, um reconhe- cimento de cargas muito pequenas é agora similarmente possível tal como de containers vazios.

O sistema de acordo com a invenção além do mais tem a grande vantagem sobre filtros médios que a massa de carga pode ser determinada sem retardo maior. Um "turnover" maior com isto resulta, uma vez que me- nores paradas ocorrem quando o sinal de massa de carga é usado para o sistema de limitação do momento. Em adição, a vida útil do guindaste é au- mentada uma vez que o sistema de limitação de momento de carga pode intervir sem qualquer retardo de tempo maior.

Em adição ao sistema e ao guindaste, a presente invenção ain- da compreende um processo para determinar a massa de carga de uma carga carregada pelo cabo de içamento, compreendendo as etapas de : me- dição da força do cabo no cabo de içamento; cálculo da massa de carga na base da força do cabo; em que a influência da determinação da massa de carga via a força do cabo é descrita em um modelo e é pelo menos parcial- mente compensada.

A compensação neste aspecto em particular ocorre na base de

um modelo das influências estática e/ou dinâmica desta determinação. Estas influências podem com isto ser calculadas e podem ser pelo menos parcial- mente compensadas pela unidade de compensação.

O processo de acordo com a invenção ocorre vantajosamente como foi representado acima com relação ao sistema e ao guindaste. O pro- cesso de acordo com a invenção neste aspecto em particular ocorre por meio de um sistema como foi acima descrito.

A presente invenção será a seguir explicada em maiores deta- lhes com referência às concretizações e aos desenhos.

São mostrados:

figurai: uma concretização de um guindaste de acordo com a

invenção;

figura 2: uma representação esquemática de uma concretização de um sistema e um processo de acordo com a invenção;

figuras 3a e 3b: a disposição de um dispositivo de medição no guincho de içamento;

figura 4: a disposição de um dispositivo de medição no guincho

de içamento e a orientação do cabo do cabo de içamento via polias de defle- xão;

figura 5: uma representação das forças levada em consideração na compensação da polia de deflexão;

figura 6: uma representação das forças levada em consideração

na compensação da massa de cabo;

figura 7: um diagrama esquemático do modelo de mola de mas- sa que é baseado no observador de massa de cabo de acordo com a inven- ção; e

figura 8: uma representação esquemática de uma concretização

de um observador de massa de cabo de acordo com a invenção.

A figura 1 mostra uma concretização de um guindaste de acordo com a invenção em que uma concretização de um sistema de acordo com a invenção para determinar a massa de carga da carga suspensa no cabo de

guindaste é usada. O guindaste na concretização é um guindaste móvel de porto. Neste aspecto, o guindaste possui um trem de pouso 1 com um chassi 9. O guindaste pode com isto ser movido no porto. No local de elevação, o guindaste pode então ser suportado via unidade de suporte 10.

Uma torre 2 é disposta rotativamente em torno de um eixo verti- cal de rotação no trem de pouso 1. Uma lança 5 é conectada pivotadamente em torno de um eixo horizontal na torre 2. A lança 5 pode neste aspecto ser pivotada ascendente e descendentemente no plano variável via o cilindro hidráulico 7.

O guindaste neste aspecto possui um cabo de içamento 4 que é conduzido em torno de uma polia de deflexão 11 na ponta da lança. Um meio de suspensão de carga 12 com o que uma carga 3 pode ser tomada é disposto na extremidade do cabo de içamento 4. O meio de suspensão de carga 12 ou a carga 3 está neste aspecto elevado ou abaixado pelo movi- mento do cabo de içamento 4. A mudança na posição do meio de suspensão de carga 12 ou de carga 3 na direção vertical, assim, ocorre pela redução ou aumento da extensão Is do cabo de içamento 4. Um guincho 13 que move o cabo de içamento é provido para este propósito. O guincho 13 neste aspecto é disposto na superestrutura. O cabo de guincho 4 é além do mais primeiro conduzido do guincho 13 via uma primeira polia de deflexão 6 na ponta da torre 2 para uma polia de deflexão 14 na ponta da lança 5 e daí volta para a torre 2 onde o mesmo é conduzido via uma segunda polia de deflexão 8 pa- ra uma polia de deflexão 11 na ponta da lança de cujo local o cabo de iça- mento corre para baixo para a carga 3.

O meio de suspensão de carga 12 ou a carga pode além do mais ser movido horizontalmente pela rotação da torre 2 em torno do ângulo cpo e pela variação da lança 5 para cima e para baixo pelo ângulo cpA. Um movimento de elevação da carga 3 em adição ao movimento da carga na direção radial resulta na variação da lança 5 para cima e para baixo pela disposição do guincho 13 na superestrutura. Isto deve, opcionalmente, ser compensado por um correspondente controle do guincho 13.

A figura 2 mostra uma concretização de um sistema de acordo com a invenção para determinar a massa de carga da carga suspensa no cabo de içamento de um guindaste. Neste aspecto, o sinal 20 que é produzi- do do dispositivo de medição para medir a força de cabo no cabo de içamen- to serve como valor de entrada do sistema. O dito sinal é fornecido à unida- de de cálculo 26 de acordo com a invenção para determinar a massa de carga. A unidade de cálculo 26 envia a massa de carga exata como o sinal de saída 24. A unidade de cálculo possui uma unidade de compensação que pelo menos parcialmente compensa as influências da determinação da mas- sa de carga via a força do cabo. A unidade de compensação calcula as in- fluências na base de dados no status do guindaste que são transmitidos da unidade de status de guindaste 25 para a unidade de cálculo 26. Neste as- pecto, em particular o ângulo de variação ou a velocidade do ângulo de vari- ação da lança é utilizada na unidade de cálculo. Além do mais, a extensão do cabo e/ou a velocidade de cabo podem ser incluídas na unidade de cál- culo, com as mesmas em particular sendo determinadas via a posição e/ou velocidade do guincho de içamento 13.

A unidade de compensação está neste aspecto baseada em um modelo físico do sistema de içamento pelo qual as influências dos compo- nentes individuais do sistema de guincho sobre a força do cabo e sobre a massa da carga podem ser calculadas. A unidade de compensação pode com isto calcular e pelo menos parcialmente compensar estas influências.

A unidade de compensação neste aspecto inclui três componen- tes na concretização que podiam, todavia, também ser usados independen- temente um do outro. A unidade de compensação nesse aspecto primeiro inclui uma compensação de polia de deflexão 21 que compensa a fricção do cabo nas polias de deflexão. A unidade de compensação ainda inclui uma compensação de massa de cabo que compensa a influência do peso do ca- bo na força do cabo e assim na massa de carga. A unidade de compensa- ção ainda inclui um observador de massa de carga 23 que leva em conside- ração a interferência dinâmica ao sinal devido à aceleração da carga ou da engrenagem de içamento e em particular aquelas que surgem devido à di- nâmica inerente do sistema do cabo de içamento e carga. Os componentes individuais do sistema de acordo com a inven-

ção serão, a seguir, representados em detalhes.

O guincho de içamento do guindaste de acordo com a invenção é mostrado nas figuras 3a e 3b, com um dispositivo de medição 34 para me- dir a força do cabo sendo disposto no dito guincho de içamento. O guincho de içamento 30 é, neste aspecto, rotativamente pivotado em torno de um eixo de rotação 32 em dois elementos de armação 31 e 35. O dispositivo de medição de força 34 é disposto como um suporte de torque no elemento de armação 31. O elemento de armação 31 é, neste aspecto, pivotadamente conectado ao guindaste em torno do eixo 33. O elemento de armação 31 é pivotadamente conectado ao guindaste via o dispositivo de medição da força 34 no lado opostamente disposto. Neste aspecto, o dispositivo de medição da força 34 é feito em forma de barra e é aparafusado no elemento de arma- ção 31 via um arranjo de parafuso 36 e no guindaste via um arranjo de para- fuso 37. Nesse aspecto, uma célula de carga de tensão (TLC) pode ser usa- da como um dispositivo de medição da força 34. Alternativamente, um para- fuso de carga ou uma célula de carga pode,por exemplo, também ser usada como um dispositivo de medição de força.

A força do cabo Fs inicialmente atua sobre o guincho devido à disposição do dispositivo de medição da força 34 entre a estrutura do guin- daste e o guincho e via a armação de guincho no dispositivo de medição de força em que uma força FTlc é causada pela força do cabo Fs. Para calcular a força de cabo Fs da força Fjlc medida pelo dis-

positivo de medição da força 34, a geometria da disposição do dispositivo de medição da força 34 no guincho deve ser levada em consideração. Nesse aspecto, a massa do guincho em si deve também ser levada em considera- ção, que é suportada no dispositivo de medição da força 34 e assim atuar contra a força do cabo.

Em adição, deve-se opcionalmente ser levado em consideração que o dispositivo de medição da força 34, como mostrado na figura 3b, é apenas disposto em um dos dois elementos de armação 31 e 35. O elemen- to de armação 35 é neste aspecto fixamente aparafusado na estrutura de guindaste. O drive para o guincho de içamento é disposto neste elemento de armação 35.

O princípio da medição da massa de carga com referência à for- ça de cabo ou com referência à força que é medida pelo dispositivo de me- dição 34, bem como as forças que ocorrem neste processo são todos mos- trados novamente nesse aspecto na figura 4.

O cabo de içamento 4 neste aspecto corre do guincho 30 via po- lias de deflexão 6, 14 e 8 para a polia de deflexão 11 na ponta da lança, de onde o cabo de içamento 4 é conduzido para a carga 3. A massa da carga 3 neste aspecto gera uma força no cabo de içamento 4, que o cabo de iça- mento introduz no guincho 30. O guincho 30 é neste aspecto pivotadamente conectado a uma armação de guincho e aplica uma correspondente força à mesma. Uma força Fjlc é com isto introduzida no dispositivo de medição da força 34 que conecta o elemento de armação 31 da armação de guincho à estrutura do guindaste. Devido às relações geométricas entre o cabo de i- çamento, guincho de içamento, a armação de içamento e o dispositivo de medição da força, é possível extrair uma conclusão sobre a massa da carga da força medida pelo dispositivo de medição da força 34.

Todavia, devido à disposição do dispositivo de medição em um elemento de conexão entre a estrutura de guindaste e o cabo de içamento, uma série de influências resultam que conduziriam às substanciais impreci- sões nas determinação da massa de carga sem a compensação. A unidade de cálculo de acordo com a invenção portanto tem uma unidade de compen- sação correspondente que compensa aquelas influências.

Neste aspecto, a compensação de polia de deflexão de acordo com a invenção seria primeiro descrita em maiores detalhes com referência à figura 5, pelo que os efeitos de fricção nas polias de deflexão são compen- sados. O cabo de içamento 4 é neste aspecto, em cada caso, defletido por um ângulo específico nas polias de deflexão 6, 14, 8 e 11. Uma série de in- fluências de fricção com isto resulta na força de cabo. Nesse aspecto, uma força de fricção surge em cada polia de deflexão que aumenta ou reduz a força medida pelo dispositivo de medição dependendo da situação, em parti- cular na dependência da direção da rotação da polia de deflexão.

Neste aspecto, uma fricção de rolo que é determinada de acordo com a curva de Striebeck surge no mancai da polia de deflexão. A fricção do rolo é, todavia, relativamente pequena e pode, portanto, ser negligenciada. A deflexão angular do cabo de guincho nas polias de deflexão tem uma influ- ência muito maior. Neste aspecto, o cabo de içamento é submetido a uma deformação, tanto quanto correr para dentro como correr para fora da polia de deflexão, que requer um trabalho de deformação correspondente. A magnitude desta fricção que surge devido à deformação do cabo de içamen- to nas polias de deflexão é, neste aspecto determinada substancialmente pelo raio das polias de deflexão e pela força do cabo.

Neste aspecto, as medições têm mostrado que a fricção total em cada polia de deflexão substancialmente estende-se linear à força de cabo. A velocidade angular das polias de deflexão, em contraste, apenas tem mui- to pouca influência na fricção. Deve-se, todavia, notar neste aspecto que a fricção em cada polia de deflexão ou tem de ser adicionada à força de fric- ção medida ou tem de ser subtraída da mesma, dependendo da direção da rotação da polia de deflexão. Na elevação da carga, a força de fricção das polias de deflexão neste aspecto atua contra a força de elevação produzida pelo guincho de içamento, de modo que a força do cabo medida é aumenta- da pelas forças de fricção. Quando a carga é deixada baixar pela engrena- gem de içamento, a força do cabo medida é, em contraste, reduzida por uma correspondente quantidade.

Neste aspecto, deve ainda ser levado em consideração que o cabo de içamento é guiado para e entre a ponta da torre e a ponta da lança, com as duas polias de deflexão 6 e 8 sendo dispostas na ponta da torre e as duas polias de deflexão 14 e 11 na ponta da lança. Um movimento das poli- as de deflexão 8, 11 e 14 portanto, similarmente também resulta na variação para cima e para baixo da lança, enquanto a polia de deflexão 6 não é movi- da sem um movimento do mecanismo de içamento. Consequentemente, uma força de fricção surge na variação para cima e para baixo da lança que substancialmente corresponde a 3A da força de fricção na elevação e abai- xamento da carga via o mecanismo de içamento.

A unidade de compensação de acordo com a invenção neste aspecto compensa as influências que surgem através da fricção nas polias de deflexão. Para este propósito, a unidade de compensação determina a respectiva direção da rotação das polias de deflexão na base da posição e/ou movimento da engrenagem de içamento e da lança. Deve-se levar em conta, neste aspecto, que os padrões do movimento complexo das polias de deflexão podem muito bem ocorrer no movimento combinado da engrena- gem de içamento e a lança, de modo que nem todas as polias de deflexão são introduzidas na força de cabo com o mesmo sinal. A compensação da polia de deflexão portanto ocorre vantajosamente na base da velocidade do guincho e na velocidade de variação da lança. A unidade de cálculo de acordo com a invenção além do mais

inclui uma compensação de massa de cabo que, a seguir, será representada em maiores detalhes com referência à figura 6. Como já descrito acima, o peso Fw 36 do guincho que é suportado no dispositivo de medição da força 34 deve primeiro ser levado em consideração no cálculo da força do cabo do sinal medido do dispositivo de medição 34. O cabo de içamento é, todavia, adicionalmente, pelo menos parcialmente enrolado no guincho. A massa do cabo de içamento que é enrolado no guincho de içamento é assim igualmen- te suportada no dispositivo de medição da força 34. A força do peso Frw 37 do cabo de içamento enrolado no guincho deve portanto também ser levada em conta. A força do peso pode ser determinada, por exemplo, na base do ângulo de rotação do guincho de içamento.

As massas das seções de cabo individuais entre as polias de de- flexão além do mais também têm um efeito sobre a força do cabo e assim sobre a determinação da massa de carga. As seções de cabo 41 e 42 neste aspecto aumentam a força do cabo medida devido à massa do cabo, ao passo que as seções de cabo 43, 44 e 45 reduzem a força do cabo medida. A extensão e o ângulo das seções de cabo para o horizontal deve cada qual ser considerado no cálculo desta influência. Deve ser levado em considera- ção, neste processo, que uma extensão constante e um ângulo constante estão presentes apenas para a seção de cabo 45. A seção 41, em contraste, é mudada em extensão pela elevação e abaixamento da carga. As seções 42 - 44 são por sua vez mudadas tanto em extensão como em alinhamento pela variação para cima e para baixo da lança. A compensação da massa de cabo,portanto, ocorre na base da posição da lança do guincho de içamento.

A compensação da polia de deflexão e a compensação de mas- sa de cabo assim compensam substancialmente o efeito da disposição do dispositivo de medição no guincho de içamento. Alternativamente à disposi- ção do dispositivo de medição no guincho de içamento, é também concebí- vel integrar um dispositivo de medição em uma das polias de deflexão, em particular na polia de deflexão 8 na ponta da lança. Nesta disposição do dis- positivo de medição, a compensação por sua vez ocorre de acordo com os princípios mostrados acima, porém com efeitos de fricção e os efeitos da massa de cabo na força medida tendo que ser combinados consequente- mente pela diferente disposição do dispositivo de medição.

O sistema de acordo com a invenção não apenas leva em con- sideração as influências sistemáticas que a disposição do dispositivo de me- dição em um elemento de conexão entre a estrutura de guindaste e o cabo de içamento tem sobre a determinação da massa de carga mas também compensa os efeitos dinâmicos que são decorrentes da aceleração da mas- sa de carga e/ou a engrenagem de içamento e da elasticidade do cabo de içamento.

O sistema do cabo de içamento e carga neste aspecto, substan-

cialmente forma um pêndulo da massa de mola que é excitada pela engre- nagem de içamento devido à elasticidade do cabo de içamento. Oscilações com isto surgem que são sobrepostas na porção estática do sinal de força do cabo que corresponde à massa de carga. Neste processo, o observador de massa de carga é baseado em um modelo físico do sistema de massa de mola do cabo de içamento de carga. O modelo é, neste aspecto, mostrado esquematicamente na figura 7. O observador de massa de carga 23 estima a massa de carga exata que chega no modelo físico como um parâmetro por uma comparação da força de cabo que resulta deste modelo com a força de cabo medida.

Uma concretização do observador de massa de carga de acordo com a invenção, que é implementada como um filtro Kalman estendido (EKF) será a seguir representada em maiores detalhes a seguir. 2. Modelagem da linha de engrenagem de içamento

O modelo dinâmico para a linha de engrenagem de içamento se- rá derivado da seguinte seção. A figura 1 mostra a estrutura completa do guindaste móvel do porto (LHM). A carga com a massa mi é elevada pelo guindaste através do meio de suspensão de carga e é conectada ao guincho de içamento via o cabo tendo extensão total de ls. O cabo é defletido do meio de suspensão da carga via uma respectiva polia de deflexão na cabeça da lança e na torre. Deve ser notado neste aspecto que o cabo não é dire- tamente defletido para o guincho de içamento da cabeça da lança, porém que é mais defletido da cabeça de lança para a torre, volta para a cabeça de lança e então via a torre para o guincho de içamento.(ver figura 1). A exten- são total do cabo assim resulta como:

Is (t) = li (í)+3/2(0 + 13(0, (!)

em que h, l2e I3 são as extensões da parte do guincho de içamento para a torre, da torre para a cabeça da lança e da cabeça da lança para o meio de suspensão da carga. A linha de engrenagem de içamento compreendendo o guincho de içamento, o cabo e a massa de carga é modelada na forma sim- plificada como o sistema de massa de mola abaixo e é mostrada na figura 7.

De acordo com a Lei de Newton de Movimento, a equação do movimento para sistema amortecedor de massa de mola resulta como:

m,z(t) = m,g~fc(z(t)-Ut)) + d(z(t)-Ut))) (2)

V---„-^

Fc

Com a aceleração devido á gravidade g, a constante de mola c, a constante de amortecedor g, a posição de carga z, a velocidade de carga z' e aceleração de carga ζ". A velocidade de cabo ^ segue da velocidade de guincho <p'we o raio do guincho Tw como

is{t) = rwipw{t). (3)

A tenacidade da mola cs de um cabo de uma extensão Is pode ser calculada usando a lei de Hooke como EsAs , .

cs = —— (4)

>>&

Aqui, Es e As são o módulo de elasticidade e a área seccional transversal do cabo. Uma vez que os cabos paralelos elevam a carga no guindaste do porto móvel ns (figura 1), a tenacidade da mola c da linha de

engrenagem de içamento resulta como

C = nscs. (5)

A constante do amortecedor d da linha de engrenagem de iça-

mento é dada por

d = 2 D^HTi (6)

em que D representa fator de amortecimento de Lehr do cabo.

Uma vez que o objetivo principal do observador de massa de carga é a estimação da então massa de carga corrente, uma equação dinâ- mica tem de ser derivada para a massa de carga. A massa de carga m/é modelada como um processo de caminhar aleatoriamente dentro deste tra- balho, isto é, rrysofre interferência por um aditivo, ruído branco de curso livre. A seguinte equação dinâmica resulta para a massa de carga

m = ji, (7)

em que Yl representa um ruído branco de curso livre . 3. Desenho do Observador

Um observador baseado no EKF[3] é projetado nesta seção. Deve ser notado aqui que as faixas de valor dos parâmetros individuais dife- rem grandemente. A extensão do cabo/s e a posição da carga ζ estão as- sim usualmente entre 100m e 200m, a velocidade de cabo [se a velocidade de carga z' entre Om/s e 2 m/s e a massa de carga entre 0 kg e 150 χ 103 kg. Em adição, os dois parâmetros Es e As também têm faixas de valor muito diferentes. Estas faixas de valor diferentes podem conduzir a problemas nu- méricos na estimação on-line do observador. Um parâmetro novo para o de- senho do observador

EsAsUs

o-hw = —................(°J é introduzido para evitar tais problemas numéricos, em que rnmax é a carga de elevação permitida máxima para o respectivo tipo de guindaste. Em adi- ção, a massa de carga mi não é usada diretamente no observador, porém mais a massa de carga normalizada m/ /mmax.

rador incrementai e a velocidade de guincho (pw é medida. Um sensor de medição da força provê a força de cabo Fw medida no guincho. A extensão do cabo e a velocidade de cabo podem ser calculadas da posição do guin- cho e a velocidade de guincho por meio da equação (3). Deve ser notado com respeito à força do cabo medida no guincho Fw que não apenas a força na base da massa de carga é medida aqui, mas também os efeitos da fric- ção das polias de deflexão e o peso líquido do cabo. Todavia, estas influên- cias da interferência podem ser eliminadas por um algoritmo de compensa- ção e então a força da mola atual Fc ( ver equação (2)) pode ser calculada da força do cabo medida no guincho Fw.

râmetros medidos) y do sistema devem primeiro ser definidos para um de- senho do observador. Para o presente problema, a velocidade de cabo ís é selecionada como apenas a entrada do sistema. A extensão do cabo 4 e a força da mola normalizada FcZrnmax são selecionadas como parâmetros de saída.

(8) pode ser transformado em um espaço do estado usando o vetor do esta-

5

As posições do guincho swsão medidas no guindaste via um ge-

Os parâmetros de entradas u e os parâmetros de saída ( ou pa-

O modelo dinâmico compreendendo equações (2), (4), (5), (6) e

do

25

O sistema resultante das equações diferenciais da primeira or-

dem é

X - f(x,u), X(O)=X0, y = h (χ, u), t> 0,

(9)

em que f(x) «

h(x) =

U X3

9 QhW X1Xj 2Dy/ühw StjrtX1X4

0

(10)

(11)

u = L (12)

Como já acima mencionado, o observador é realizado como um EKF. O EKF é um observador para sistemas discretos de tempo, não- Iineares e minimiza a covariância do erro do erro de estimação "Xk - Xk"

Pfc = B [(Xfc - Xfc) (Xfc - x*)T] (13)

em cada etapa de tempo [3], em que "Xk " responde então pelo estado atualmente estimado. [ ■ ]k = [■ ](kAt) com a taxa de amostragem dis- creta At aplica-se na equação (13) e na seguinte. Uma vez que, todavia, a representação do espaço do estado (9) representa um sistema contínuo, o sistema acima descrito é tornado discreto no seguinte uso no processo de avanço Euler [2],

O EKF realiza uma etapa de previsão e uma etapa de correção

em cada etapa de tempo para estimação do estado. O estado para a seguin- te etapa de tempo é previsto na base das equações do sistema (9) dentro da etapa de previsão:

χ* = Xfc-j + Aíffa-i.Ufc), ^

yfc ^ h (X^Uk) .

Em adição aos estados do sistema, a matriz da covariância do

erro é também prevista dentro da etapa de previsão

P; = AfcPfc-iAj + Q*, (15)

em que Pk-i é a matriz da covariância do erro para a etapa de tempo (k-1) At, Ak é a matriz de transição do sistema Iinearizado em torno do estado corrente e Qk é a matriz covariante de tempo discreto do ruído do sistema. Ak é calculado aproximadamente pelas séries de Taylor da função

exponencial da matriz ativada para o primeiro elemento.

dí (KiUk)

A Jfc

1 +

dx

(16) A figura 8 novamente mostra a concretização do observador de massa de carga em um diagrama em bloco. Em adição à força Fw medida no guincho, a extensão do cabo de içamento Is é incluída como um sinal medido no observador da massa de carga. A força total está neste aspecto como representado em detalhes acima, primeiro compensada com relação ao peso do cabo e os efeitos de fricção e é normalizada com a massa de carga máxima permitida Mmax. O observador de massa de carga então esti- ma a massa de carga normalizada como X4 que é consequentemente con- vertida novamente pela multiplicação por mmax em massa de marca ml. Em adição, o observador de massa de carga também estima a extensão do cabo Is, a posição da carga ζ e a velocidade de carga "z"que pode similarmente ser usada para os propósitos de controle.

A presente invenção possibilita uma determinação exata da massa de carga em que ambos, os efeitos de disposição do dispositivo de medição para a medição da força de cabo via um elemento de conexão en- tre a estrutura de guindaste e o cabo de içamento tal como em um suporte de torque do guincho de içamento ou uma polia de deflexão e efeitos dinâ- micos que surgem devido à elasticidade do cabo de içamento são levados em conta. A massa de carga pode, neste aspecto, ser usada para o trabalho de controle ou para avaliação de dados. A massa de carga pode, em particu- lar, ser armazenada para cada elevação em uma unidade de memória, por exemplo, uma base de dados e assim avaliada.

Claims

1. Sistema para determinar a massa de carga de uma carga car- regada por um cabo de içamento de um guindaste,compreendendo: um dispositivo de medição para medição da força do cabo no cabo de içamento; e uma unidade de cálculo para determinar a massa de carga na base da força do cabo, caracterizado pelo fato de que a unidade de cálculo possui uma unidade de compensação que descreve a influência da determinação indireta da massa de carga via a for- ça do cabo em um modelo e pelo menos compensa parcialmente esta influ- ência.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que a unidade de compensação trabalha na base de dados na posição e/ou movimento do guindaste, em particular na base de dados sobre a posição e/ou movimento da engrenagem de içamento, e/ou dados sobre a posição e/ou movimento da lança e/ou da torre.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2 para um guin- daste compreendendo uma engrenagem de içamento para elevar e abaixar a carga carregada por um cabo de içamento do guindaste, em que o cabo de içamento é conduzido do dispositivo de medi- ção via pelo menos uma polia de deflexão do guindaste para a carga e/ou em que o dispositivo de medição para medir a força do cabo no cabo de i- çamento é disposto em uma polia de deflexão ou em uma engrenagem de içamento, em que a unidade de compensação pelo menos compensa par- cialmente o efeito da disposição do dispositivo de medição na massa de car- ga resultante.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 3, em que a unidade de compensação inclui uma compensação de massa de cabo que no cálculo da massa de carga leva o peso do cabo de içamento em consideração e, em particular, a influência de uma mudança da extensão do cabo quando a car- ga é elevada e/ou abaixada, em que a engrenagem de içamento inclui vanta- josamente um guincho e o ângulo de rotação e/ou a velocidade de rotação do guincho é usada na compensação de massa de cabo como um parâme- tro de entrada.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 4, em que a compen- sação de massa de cabo leva o peso do cabo de içamento enrolado no guincho em consideração.

6. Sistema de acordo com uma das reivindicações 3 a 5, em que a compensação de massas do cabo leva uma mudança em extensão e/ou um alinhamento de partes do cabo de içamento causada pelo movimento da estrutura do guindaste em consideração.

7. Sistema de acordo com uma das reivindicações precedentes, em que a unidade de compensação inclui uma compensação da polia de deflexão que leva os efeitos de fricção causados pela deflexão do cabo de içamento em torno de uma ou várias polias de deflexão em consideração.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 7, em que a compen- sação da polia de deflexão leva a direção da rotação e/ou a velocidade de rotação das polias de deflexão em consideração, em que a compensação de polia de deflexão calcula a direção da rotação e/ou a velocidade de rotação das polias de deflexão causadas pelo movimento da estrutura do guindaste e/ou pelo movimento da engrenagem de içamento.

9. Sistema de acordo com uma das reivindicações 7 ou 8, em que a compensação de polia de deflexão calcula os efeitos de fricção em dependência da força do cabo medida, em particular na base de uma função linear da força do cabo medida.

10. Sistema de acordo com uma das reivindicações precedentes, em que a unidade de compensação leva o efeito de aceleração da massa de carga e/ou da engrenagem de içamento da força do cabo em consideração na determinação da massa de carga.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 10, em que a unida- de de cálculo leva as dinâmicas de oscilação que surgem devido à elastici- dade do cabo de içamento em consideração na determinação da massa de carga.

12. Sistema de acordo com uma das reivindicações 10 ou 11, em que a unidade de cálculo inclui um observador de massa de carga que é baseado em um modelo de mola do cabo e da carga.

13. Guindaste tendo um sistema para determinar a massa de carga de uma carga carregada por um cabo de içamento como definido em uma das reivindicações precedentes.

14. Processo para determinar a massa de carga de uma carga carregada por um cabo de içamento, compreendendo as etapas de: medição da força do cabo no cabo de içamento, cálculo da massa de carga na base da força do cabo, em que a influência da determinação da massa de carga via a força do cabo é descrita em um modelo pelo menos parcialmente compen- sada.

15. Processo de acordo com a reivindicação 14, em que a de- terminação da massa de carga ocorre por meio de um sistema de acordo com uma das reivindicações precedentes.