JP2023042017A - クレーン吊具給電用トルク電動式ケーブルリール - Google Patents
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Abstract
Description
更に、吊具給電用ケーブルリールを配置するクラブトロリ上は狭小で、ケーブルリールの出っ張り寸法を改善したコンパクトなケーブルリールが求められている。
その状態において、ケーブルの引き出しを行うと前記減速効率を加算した電動機のトルクの設定値に対して、引き出し時の減速装置の逆転効率が更に加算され、そのトルクがケーブルに張力として掛かるために、ケーブル引き出し時には、ケーブルに対して減速効率が2重に過剰トルクとして掛かってしまうという問題があった。
この問題を軽減するために、逆転効率が良い高価な遊星減速機を採用したり、笠歯車を採用するなどの工夫をしているが根本対策には至っていなかった。
また、これらの減速機は寸法が大きくなり、ケーブルリールの駆動部の寸法も巨大化するという問題も有していた。
そして、電気装置であるケーブルリールでありながら、定期的な減速機のオイル交換という機械メンテナンス要素が存在するという煩わしさがあった。
更に、減速装置の負荷率が下がると減速効率も悪くなるので、安全率の余裕がない小さい減速装置を採用し、耐久性の余裕度を犠牲にしたギリギリの設計を余儀なくされていた。
ところで、特許文献3に記載のケーブルリールには、巻き取られたケーブルの各段の層の切り替わりによって巻き取り角度と負荷トルクの関係が僅かに非直線性の特性になることに着目し、その僅かなトルクの変化を制御することについて提案されているが、前記の2重に掛かる大きな減速効率は、この僅かなトルク変化の伝達を阻み、大まかなトルク変化を伝達することしかできないという問題があった。
また、減速装置をなくしたことにより、リール駆動電動機から直接ケーブルドラムにトルクを伝達することが可能になり、トルクの伝達がダイレクトに行えることにより微細なトルク制御が可能になり、減速機の減速効率がケーブルリールのトルク制御を阻害していた要素を排除することで、トルク制御性能を向上することができ、減速効率を配慮するために安全率を低く設定した減速機の耐久性の問題がなくなり、ケーブルリール装置及び同ケーブルリールに巻き取られるケーブルの信頼性を大幅に改善できる。
駆動電動機のトルクを減少させ、クレーンが巻き下げ中は僅かにリール駆動電動機のトルクを減少させることにより、ケーブルの負担を軽減しケーブルの延命化を図ることができる。
クレーンCRのクラブトロリTR上のワイヤードラムWDからワイヤーロープWRで完全に支持された吊具GBが吊り下げられており、ワイヤードラムWDの回転力のみにより吊具GBが上下される。
ワイヤードラムWDの横に配置されたケーブルリールREからはケーブルCAが常に緊張された状態で垂れ下げられ固定金具FSで固定され吊具GBに給電されている。
ケーブルリールREは、常に巻き上げ方向に巻き取りトルクが発生しており、ケーブルCAは常に緊張した状態にあり、吊具GBが巻き下げられるとケーブルリールREに巻き付けられたケーブルがケーブルリールREの巻き取りトルクで緊張状態を保ったまま引き出され、吊具GBが巻き上げられるとケーブルリールREの巻き取りトルクでケーブルCAが緊張を保ったままケーブルリールREに巻き付けられる。
この時、ケーブルリールREの巻き取りトルクはケーブルCAと固定金具FSを支持するだけの弱いトルクで、吊具の荷重は支持せず、吊具GBの上下に追従するだけの弱いトルクに設定されている。
ケーブルドラムCDに巻き付けられたケーブルCAは、ケーブルドラムCDから中空軸SH内を通ってスリップリングSRに接続され、スリップリングSRに接触するカーボンブラシCBに接続された固定配線から回転するケーブルCAに電気的に接続されている。
そして、中空軸SHに接続されたリール駆動電動機DMが回転位置検出器PGの検出により制御された所定の回転トルクを発生し、中空軸SHを介してケーブルドラムCDに伝達し、ケーブルCAを巻き取るトルクを発生させている。
従来は、リール駆動電動機DMと中空軸SHの間に減速機を介在させることで、高回転で小さい定格トルクの汎用のリール駆動電動機DMやブレーキBRを採用していた。高回転なのでリール駆動電動機DMには誘導電動機を用いることも可能で低コストの部品で構成できるメリットがあった。ただし、遊星減速機を用いた場合には中空軸SHから直列に減速機とリール駆動電動機とブレーキが配置されるので、ケーブルリールの後方に大きな出っ張り寸法が発生し、笠歯車を採用した場合には中空軸SHから上方或いは側方に直角に角度を曲げ減速機とリール駆動電送機とブレーキが配置されるので上方或いは側方への出っ張り寸法が大きくなっていた。
この実施例では、リール駆動電動機DMに低回転で大トルクの定格出力を可能とする永久磁石回転子を用いる多極の同期電動機を用い、ブレーキには大型の大トルクのブレーキを採用することで減速機を介さずに中空軸SHを直接駆動することを可能としている。
これにより、減速機の減速効率がケーブルリールのトルク制御を阻害していた要素を排除するとともに、ケーブルリールの後方或いは上方或いは側方に大きく張り出していた駆動装置の張り出しをなくし、ケーブルリールREの配置場所である狭小なクラブトロリTR上の寸法の有効利用を可能にした。
この減速機をなくしたケーブルリールREにおいては、減速機のオイルの定期交換という唯一の機械メンテナンス要素をなくし、電気メンテナンス項目のみにすることで、メンテナンス性の改善ができた。
ケーブルCAを巻き取る時に要する巻き取りトルクHTは、ケーブルCAの単位長さ当たりの重量に垂れ下がり長さLを乗じた重量に固定金具FSを加算した重量が垂れ下がり重量となり、ケーブルドラムCDの中心位置からケーブルCAの垂れ下がり位置までの寸法に前記垂れ下がり重量を掛け合わせたトルクがケーブル負荷トルクCTとなるが、ケーブルドラムCDなどの回転物やケーブルCAなどの直線移動体が持つ慣性力を加速させるための加速トルクATとケーブル負荷トルクCTを加算したトルク値がケーブルCAの巻き取りに必要な巻き取りトルクHTとなる。
この時、ケーブルCAの巻き取りに必要な巻き取りトルクHTを発生させるためには、減速機効率ηG分のトルクを加算したトルクを電動機トルクMTとしてリール駆動電動機DMが発生しないといけない。
前記の減速機効率ηG分のトルクを加算した電動機トルクMTを発生している状態で吊具GBが巻き下がりケーブルCAが引っ張ると、減速機逆転効率ηRの相当分のトルクが更に加算され引き出しトルクRTが発生し、この時、ケーブルCAには減速機効率ηGと減速機逆転効率ηRが2重に掛かったような状態になり、この時の引き出しトルクRTは2重の減速機効率により必要トルクの約2倍相当にもなり、大きな引き出しトルクRTに起因する過剰張力がケーブルCAの損傷の要因になっていた。
このような減速機効率によるトルクは、電動機のトルク制御の部分に占める比率が大きくなり、微細なトルク制御を行おうとしても、減速機損失の中に埋もれてしまうため、粗い分解能で大まかなトルク制御を行うことしかできなかった。
れなどで弛んだケーブルを加速することなくゆっくりと巻き取り、引き出し時は、引き出しトルクRTを減速機逆転効率ηRのみの過剰トルクに抑制させている。
しかしながら、減速機逆転効率ηRに起因してケーブルCAに掛かる過剰張力は排除できていなかった。
これに伴い、減速機効率に伴うトルク伝達の阻害する要素が除去されるため微細なトルク制御が可能になる。
しかしながら、ケーブルリールREはワイヤードラムWDにより上下する吊具GBに追従する存在で、自らが主体的に動作する機構でないため、ケーブルリールRE自身でトルクを調節するのが困難で、ワイヤードラムWDを動作させている巻き上げ制御装置の動作情報からケーブルリールREのトルクを変化させると的確な制御が可能になる。
先ず、ケーブル負荷トルクCTは、ケーブルの単位長さ当たりの重量に垂れ下がり長さLを乗算し、それに固定金具FSの重量を加算した垂れ下がり重量を算出し、その垂れ下がり重量にケーブルドラムCDの中心からケーブル垂れ下がり位置までの支点間寸法を乗算することで算出される。
したがって、ケーブル負荷トルクCTは垂れ下がり長さLにより変化する値で、特許文献1や特許文献3に記載の内容と同様に、リール駆動電動機DMに装備する回転位置検出器PGの検出値に基づいて電動機トルクMTを変化させることで適切に変化させることができる。
このケーブル負荷トルクCTにケーブルドラムCD等の回転部分やケーブル等の移動体が持つ慣性力を加速する加速トルクATを加算した値が必要な巻き取りトルクHTで、これに僅かながらに存在する軸受部のロスである軸受効率ηBによるトルクを加算したトルク値が、巻き取り加速時にリール駆動電動機DMのトルク発生量として必要とする巻き取り加速時トルクMT1である。
そして、この巻き取り加速時トルクMT1から加速トルクATを除いた値が、ケーブル巻き取りが加速を終え一定速で巻き取っている時に必要な巻き取り定常時トルクMT2となる。
そして、巻き取り定常時トルクMT2からケーブルドラムCDなどの回転部分やケーブルCAなどの移動体が持つ慣性力を減速する減速トルクDTを減算したトルク値が巻き取り時の減速時に必要な巻き取り減速時トルクMT3となる。
そして、停止時に必要とする停止時トルクMT4は、巻き取り定常時トルクMT2と同じトルク値になる。
このため、引き出し時の加速時はケーブル負荷トルクCTから加速トルクATと軸受効率を減算したトルク値が引き出し加速時トルクMT5となり、引き出し時の一定速になった時のトルクはケーブル負荷トルクCTから軸受効率ηBを減算したトルク値が引き出し定常時トルクMT6となり、引き出し定常時トルクMT6に減速トルクDTを加算したのが引き出し減速時トルクMT7となる。
なお、図6に示すMT1~MT7までのすべての状態において、ある一定のトルク値を僅かに加算しておくことにより、荷振れ等の外乱によるケーブルのふらつきをなくし一定の張り持たせることができる。
イヤードラムWDを駆動する巻き上げ電動機を制御する巻き上げ速度制御装置(インバータ制御装置等)の制御情報により判断を行う。
巻き上げ速度制御装置が巻き上げ加速中であれば巻き取り加速時トルクMT1、巻き上げ速度制御装置が巻き上げ定速運転中であれば巻き取り定常時トルクMT2、巻き上げ速度制御装置が巻き上げ減速中であれば巻き取り減速時トルクMT3、巻き上げ速度制御装置が停止中であれば停止時トルクMT4、巻き上げ速度制御装置が巻き下げ加速中であれば引き出し加速時トルクMT5、巻き上げ速度制御装置が巻き下げ定速運転中であれば引き出し定常時トルクMT6、巻き上げ速度制御装置が巻き下げ減速中であれば引き出し減速時トルクMT7と判断する。
そして、巻き上げ速度制御装置が、巻き上げ加速中であるか、或いは巻き下げ減速中である時、ケーブルリールREに対しトルク値の増加指示を出力することで、ケーブルCAの弛みの発生をなくすることができる。
また、巻き上げ速度制御装置が巻き上げ減速中であるか、或いは巻き下げ加速中である時は、ケーブルリールREに対し、トルク値の低減指示を出力することで、ケーブルCAに掛かる負担を軽減することができる。
また、巻き上げ速度制御装置が巻き下げ運転中は、軸受効率分の2倍のトルク値分をケーブルリールREに対しトルクの低減指令を送ることにより、ケーブルに掛かる負担を更に軽減することができる。
ところで、ケーブルドラムCDの片側のみで軸受BBで支持をする構造方式である図2の片持ち構造から、ケーブルドラムCDの両側に軸受BBを配置する両持ち構造に変更した場合は、軸受効率ηBの値を更に改善でき、より理想的なトルク制御が可能となる。
TR クラブトロリ
WD ワイヤードラム
WR ワイヤーロープ
GB 吊具
RE ケーブルリール
CA ケーブル
FS 固定金具
L 垂れ下がり長さ
CD ケーブルドラム
SH 中空軸
DM リール駆動電動機
PG 回転位置検出器
BR ブレーキ
BB 軸受
TB 端子台
SR スリップリング
CB カーボンブラシ
HT 巻き取りトルク
MT 電動機トルク
ηG 減速機効率
ηR 減速機逆転効率
RT 引き出しトルク
LG 減速機負荷率
BT ブーストトルク
AT 加速トルク
CT ケーブル負荷トルク
DT 減速トルク
V 速度
t 時間
RU 巻き取り
PD 引き出し
ηB 軸受効率
MT1 巻き取り加速時トルク
MT2 巻き取り定常時トルク
MT3 巻き取り減速時トルク
MT4 停止時トルク
MT5 引き出し加速時トルク
MT6 引き出し定常時トルク
MT7 引き出し減速時トルク
Claims (4)
- クレーンに吊り下げられた吊具に給電するための垂直巻き取り式のケーブルリールであって、電動機で巻き上げ方向にトルクを発生することにより吊具の上下運動に連動してケーブルをケーブルリールに巻き取り或いは引き出しをする構造のケーブルリールにおいて、前記電動機に、多極電動機を採用することにより減速機をなくしたダイレクトドライブ方式を採用し、吊具の上下動作を制御する制御装置の動作情報に基づいて、ケーブルリールのトルクの増減制御を行う機能を有することを特徴とするクレーン吊具給電用トルク電動式ケーブルリール。
- 前記吊具の上下動作を制御する制御装置の動作情報を基づいて、吊具が巻き上げ加速中である時と吊具が巻き下げ減速中である時に、ケーブルリールの巻き取りトルクを増加させるようにしてなることを特徴とする請求項1に記載のクレーン吊具給電用トルク電動式ケーブルリール。
- 前記吊具の上下動作を制御する制御装置の動作情報を基づいて、吊具が巻き上げ減速中である時と吊具が巻き下げ加速中である時に、ケーブルリールの巻き取りトルクを減少させるようにしてなることを特徴とする請求項1に記載のクレーン吊具給電用トルク電動式ケーブルリール。
- 前記吊具の上下動作を制御する制御装置の動作情報を基づいて、吊具が巻き下げ中である時にケーブルリールの巻き取りトルクを減少させるようにしてなることを請求項1に記載のクレーン吊具給電用トルク電動式ケーブルリール。
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