JP3781204B2

JP3781204B2 - Digging machine diagnostic equipment

Info

Publication number: JP3781204B2
Application number: JP22577795A
Authority: JP
Inventors: 広司吉野; 顕美秩父
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2015-08-09
Also published as: JPH0949253A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘進機やトンネルボーリングマシンなどの掘進機において、運転中の掘進機の異常を診断する掘進機の診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、運転中の掘進機の故障などによる異常を診断する方法としては、シールド掘進機のカッタチェンバ内の土圧、カッタヘッドの回転トルク、シールドジャッキの推進力、排土用スクリューコンベアの回転トルクなどをそれぞれのセンサにより検出し、それぞれの検出値が設定値以上または設定値以下となったとき、カッタヘッド、シールドジャッキ、スクリューコンベアなどの可動部位に異常が生じていると判断するという方法が採られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、掘進機を長時間稼働させたとき徐々に生じる機械部分などの摩耗や損傷などに伴って発生する異常を検出することができない。
例えば、カッタヘッドの回転トルクが設定値以上になったことが計測された場合、その原因がカッタチップの摩耗によるものか、あるいはカッタヘッド駆動軸の軸受内に土砂が侵入したことによるものか、あるいはカッタヘッドが岩盤層を掘削することによるものかは、地上管理室のモニタを監視するだけでは正確に判断することは困難である。
【０００４】
また、カッタヘッドに取り付けられたカッタチップの寿命についても、従来は、シールド掘進機最外周をカッタチップが転送される距離と掘削する地盤の岩質とから、カッタチップの摩耗限界に達する掘削延長距離を求め、寿命を推定していた。
しかし、運転方法や地盤の変化によって実際の摩耗量が計算値と一致せず、正確な判断は困難である。
【０００５】
本発明は、このような事情のもとになされたもので、その目的は、音波センサによる検出結果の統計的分析により、掘進機の状態を定量的に把握して掘進機の異常、およびカッタチップの寿命を正確に診断する掘進機の診断装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、掘進機の運転中に発生する音または振動を検出する音波センサと、前記音波センサの出力信号を所定レベルにまで増幅する増幅器と、前記増幅器の出力信号から、中心周波数の異なる複数の狭帯域内の信号をそれぞれ抽出する複数の狭帯域フィルタと、前記増幅器の出力信号から、異常音または異常振動を含む所定帯域内の信号を抽出する広帯域フィルタと、所定時間ごとの前記狭帯域フィルタおよび前記広帯域フィルタの出力信号の振幅を求め、前記狭帯域フィルタの各出力信号の、前記広帯域フィルタの出力信号に対する振幅比を算出する振幅比算出手段と、前記狭帯域フィルタの各出力信号に係わる前記振幅比の、一定期間内での度数分布を求める分布取得手段と、前記分布取得手段が求めた前記度数分布の特徴を表す数値を求める統計量算出手段と、前記統計量算出手段が求めた前記度数分布の特徴を表す前記数値にもとづいて、前記掘進機に異常が発生したか否かを判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明はまた、前記度数分布の特徴を表す前記数値に、前記振幅比の代表値として、前記振幅比の平均値、最大値、最小値、中央値、最頻値の中の少なくとも１つが含まれることを特徴とする。
本発明はまた、前記度数分布の特徴を表す前記数値に、前記振幅比の散布度として、前記振幅比の分散、標準偏差、平均偏差、前記度数分布を表す曲線の傾きの中の少なくとも１つが含まれることを特徴とする。
本発明はまた、前記異常判定手段が、前記代表値が所定の条件を満たすとき、前記掘進機に異常が発生したと判定することを特徴とする。
本発明はまた、前記異常判定手段が、前記散布度が所定の条件を満たすとき、前記掘進機に異常が発生したと判定することを特徴とする。
本発明はまた、前記異常判定手段による判定結果を表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする。
本発明はまた、前記音波センサが、前記掘進機のカッタチェンバ隔壁に設けられていることを特徴とする。
【０００８】
音波センサは、掘進機の運転中に発生する音または振動を検出し、増幅器は音波センサの出力信号を所定レベルにまで増幅する。
そして、複数の狭帯域フィルタはそれぞれ増幅器の出力信号から、中心周波数の異なる狭帯域内の信号を抽出し、一方、広帯域フィルタは、増幅器の出力信号から、異常音または異常振動を含む所定帯域内の信号を抽出する。
振幅比算出手段は、所定時間ごとの狭帯域フィルタおよび広帯域フィルタの出力信号の振幅を求め、狭帯域フィルタの各出力信号の、広帯域フィルタの出力信号に対する振幅比を算出する。
分布取得手段は、この振幅比算出手段が算出した狭帯域フィルタの各出力信号に係わる振幅比の、一定期間内での度数分布を求め、統計量算出手段は、分布取得手段が求めた度数分布の特徴を表す数値を求める。
そして、異常判定手段は、統計量算出手段が求めた度数分布の特徴を表す数値にもとづいて、掘進機に異常が発生したか否かを判定する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例について説明する。
図１は本発明による掘進機の診断装置の一例を示すブロック図、図２は図１の診断装置を備えた土圧式シールド掘進機の全体を示す概略構成図、図３は図２のシールド掘進機を詳細に示す詳細構成図である。
【００１０】
図２、図３において、１０はシールド掘進機であり、シールドフレーム１１と、シールドフレーム１１の掘進方向前端で回転して地盤を掘削するカッタヘッド１２と、カッタヘッド１２の背後に隔壁１３により形成された、カッタヘッド１２により掘削された掘削土を充満状態に滞留させるカッタチェンバ１４と、カッタチェンバ１４内の掘削土を連続的に排出するスクリューコンベア１５と、図示しない推進用油圧ジャッキおよびセグメント１６の組み立て用エレクタなどを備えている。
また、カッタヘッド１２の駆動軸１２ａは隔壁１３に軸受１７を介して回転可能に支持され、油圧モータ１８により回転駆動される。１９は換気装置である。
【００１１】
図２において、２０は地上に設けられた管理室であり、この管理室２０内には、シールド掘進機１０を操作する操作盤２１が設置され、さらにシールド掘進機１０を制御するコンピュータ２２が設置されている。
また、管理室２０内には本発明に係わる掘進機の診断装置本体２３ａが設置されており、この診断装置本体２３ａには、隔壁１３に取り付けられた音波センサ２４が信号ケーブル２５を介して接続されている。
【００１２】
音波センサ２４は、カッタヘッド１２から隔壁１３に伝播する地盤の掘削音や振動、駆動軸１２ａや軸受１７などの機械的部分に生じる異常音を検出するもので、この音波センサ２４としては、ＰＺＴセラミックスから構成される加速センサなどを用いることができる。
その周波数特性は、可聴音帯域（１０Ｈｚ〜２０ＫＨｚ）でフラットであればよい。
【００１３】
次に、図１を参照して診断装置２３の構成について詳しく説明する。
図１において、音波センサ２４には、その検出信号を増幅する前置増幅器２６が接続され、この前置増幅器２６は信号ケーブル２５を介して診断装置本体２３ａに接続されている。
【００１４】
診断装置本体２３ａは、信号処理部２３ｂと、分析診断部２３ｃと、表示装置３３とによって構成されている。
まず、信号処理部２３ｂは、可変増幅器２７、狭帯域フィルタ２８ａ〜２８ｎ、検波器２９ａ〜２９ｎ、広帯域フィルタ３０、検波器３１、ならびにＡＧＣ回路３２により構成されている。
可変増幅器２７は、ＡＧＣ回路３２からの信号によってその増幅度が変化する増幅器であり、前置増幅器２６から信号ケーブル２５を介して検出信号を受け取って、その振幅レベルの時間平均値がほぼ一定となるように連続的に制御する。
複数の狭帯域フィルタ２８ａ〜２８ｎは、この可変増幅器２７から出力される信号より掘進機１０の異常音別に設定された中心周波数の異なる狭帯域の信号をそれぞれ抽出し、各帯域の検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓとして出力する。
複数の検波器２９ａ〜２９ｎは、各狭帯域フィルタ２８ａ〜２８ｎから出力されるこれらの各帯域の検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓを個別に検波する。
一方、広帯域フィルタ３０は、可変増幅器２７から出力される信号より各種異常音を含む所定帯域幅（２００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の信号を抽出し、検波器３１は、広帯域フィルタ３０から出力される信号を検波する。
また、ＡＧＣ回路３２は、検波器３１から出力される検波信号の振幅レベルにもとづいて可変増幅器２７の増幅度を制御する。
なお、狭帯域フィルタ２８ａ〜２８ｎのそれぞれの中心周波数は、カッタチップの摩耗、軸受などの機械部分の損傷などにより生じる各種異常音の周波数を実験的に求めたものから決定される。
【００１５】
分析診断部２３ｃは、振幅比算出手段２３２、分布取得手段２３４、統計量算出手段２３６、ならびに異常判定手段２３８によって構成されている。
振幅比算出手段２３２は、まず、各検波器２９ａ〜２９ｎ、３１の出力信号、すなわち検波信号を数ｍｓｅｃの周期で、具体的には本実施例では４ｍｓｅｃの周期でサンプリングしてデジタル信号に変換し、各検波信号ごとに、本実施例ではサンプリングした５つの信号の平均値を求め、それらを各検波信号の振幅とする。
次に、このようにして求めた各検波器２９ａ〜２９ｎからの検波信号の振幅を、検波器３１からの検波信号の振幅で割り、各検波器２９ａ〜２９ｎによる検波信号の、検波器３１による検波信号に対する振幅比を算出する。
上述のように本実施例では、４ｍｓｅｃの周期でサンプリングし、５つの信号の平均値を求めるので、振幅比算出手段２３２は、２０ｍｓｅｃごとに上記振幅比を算出することになる。
【００１６】
分布取得手段２３４は、数分ごとに、具体的には本実施例では２分ごとに、その数分の時間（本実施例では２分）内に振幅比算出手段２３２が算出した各検波信号の振幅比、従って各帯域の検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓの振幅比の度数分布を求める。
すなわち分布取得手段２３４は、各検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓごとに振幅比を所定の増分（本実施例では０．０５）で複数のレベル（本実施例では２０のレベル）に分割し、各レベルごとの振幅比の発生回数を求める。
【００１７】
統計量算出手段２３６は、分布取得手段２３４が求めた上記度数分布より、各検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓごとに、振幅比の代表値と散布度とをそれぞれ表す数値として、本実施例では平均値と分散とを求める。
そして、統計量算出手段２３６は求めた平均値と分散とを異常判定手段２３８に供給し、また上記平均値および分散をそれぞれ表す信号を表示装置３３に出力してそれらを表示させる。
異常判定手段２３８は、統計量算出手段２３６が求めた上記振幅比の平均値および分散にもとづいて掘進機１０に異常が生じているか否かを判定し、判定結果を表す信号を表示装置３３に出力する。
なお、上記振幅比算出手段２３２、分布取得手段２３４、統計量算出手段２３６、ならびに異常判定手段２３８は、Ａ／Ｄ変換器などを備えた例えばパーソナルコンピュータによって構成することができる。
【００１８】
次に、このように構成された掘進機の診断装置の動作について説明する。
シールド掘進機１０が稼働している状態で、カッタヘッド１２による地盤掘削音や破砕音、掘進機本体の振動、カッタ駆動軸１２ａの回転音、その他の可聴帯域の音および振動は音波センサ２４によりピックアップされ、電気信号に変換された後、前置増幅器２６により増幅され、検出信号として信号ケーブル２５を通じて可変増幅器２７に入力される。
可変増幅器２７で増幅された検出信号が広帯域フィルタ３０に加えられると、この帯域フィルタ３０では、掘進機１０の油圧系統やトンネル内の換気装置１９などから発生した１０ＫＨｚ以上の高周波域および２００Ｈｚ以下の低周波域の信号をカットし、掘削音や異常音を含む２００Ｈｚ〜１０ＫＨｚの範囲の周波数を持つ信号を通過させる。
図６は、この広帯域フィルタ３０の周波数特性を示すグラフである。
【００１９】
広帯域フィルタ３０を通過した信号は検波器３１により検波され、図７に示すような波形となってＡＧＣ回路３２に出力される。
この検波出力を受けたＡＧＣ回路３２では、その振幅の時間平均にもとづくＡＧＣ処理を行い、得られたＡＧＣ信号を可変増幅器２７にフィードバックすることにより、その増幅度を掘進機の種類、運転状況、掘削地盤の土質性状などにより変化させ、出力振幅がほぼ一定となるように制御する。
【００２０】
一方、可変増幅器２７で増幅された検出信号が各狭帯域フィルタ２８ａ〜２８ｎに加えられると、各狭帯域フィルタ２８ａ〜２８ｎは、異なるそれぞれの中心周波数から上下側に中心周波数の１／１０程度の帯域幅を持つ狭帯域通過フィルタであるから、各狭帯域に一致する周波数の検出信号のみが対応する狭帯域フィルタ２８ａ〜２８ｎを通過して対応する検波器２９ａ〜２９ｎに出力される。
図４は狭帯域フィルタ２８ａの周波数特性を示し、図５は狭帯域フィルタ２８ｂの周波数特定を示している。
【００２１】
各検波器２９ａ〜２９ｎは、対応する狭帯域フィルタ２８ａ〜２８ｎを通過した検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓをそれぞれ検波し、結果を振幅比算出手段２３２に出力する。
【００２２】
振幅比算出手段２３２は各検波器２９ａ〜２９ｎ、３１より検波信号を受け取ると、まず、検波信号を本実施例では４ｍｓｅｃの一定周期でサンプリングしてデジタル信号に変換し、各検波信号ごとに、本実施例ではサンプリングした５つの信号の平均値を求め、それらを各検波信号の振幅とする。
次に、このようにして求めた各検波器２９ａ〜２９ｎからの検波信号の上記振幅を、検波器３１からの検波信号の上記振幅で割り、各検波器２９ａ〜２９ｎによる検波信号の、検波器３１による検波信号に対する振幅比を算出する。上述のように本実施例では、４ｍｓｅｃの周期でサンプリングし、５つの信号の平均値を求めるので、振幅比算出手段２３２は、２０ｍｓｅｃごとに上記振幅比を算出することになる。
【００２３】
そして、分布取得手段２３４は、２分ごとに、各２分の期間内に振幅比算出手段２３２が算出した各検波信号の振幅比、従って各帯域の検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓの振幅比の度数分布を求める。
すなわち分布取得手段２３４は、各検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓごとに振幅比を所定の増分（本実施例では０．０５）で複数のレベル（本実施例では２０のレベル）に分割し、各レベルごとの振幅比の発生回数を求める。
分布取得手段２３４が求めた振幅比の度数分布の一例をグラフで示すと図８のようなものとなる。
このグラフの横軸は例えば検出信号２８ａｓの振幅比を表し、縦軸は発生回数（ただし、最大値によりノートマライズされている）を表している。
【００２４】
統計量算出手段２３６は、この分布取得手段２３４が求めた上記度数分布より各検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓごとに、振幅比の代表値と散布度とをそれぞれ表す数値として、本実施例では平均値と分散とを求める。
そして、求めた平均値と分散とを異常判定手段２３８に供給し、また、上記平均値および分散をそれぞれ表す信号を表示装置に出力してそれらを表示させる。
異常判定手段２３８は、統計量算出手段２３６が求めた上記振幅比の平均値および分散にもとづいて掘進機１０に異常が生じているか否かを判定し、判定結果を表す信号を表示装置３３に出力する。
一般に、掘進機１０が正常に稼働しているときは、可変増幅器２７が出力する検出信号のスペクトルは、特定の周波数にピークを持たない広帯域のスペクトルとなり、一方、掘進機１０が異常となったときは、特定の周波数にピークを持つ狭帯域のスペクトルとなる。
異常判定手段２３８は基本的にこのような知見にもとづいて掘進機１０が異常であるか否かを判定する。
【００２５】
具体的には、異常判定手段２３８は、各検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓごとに、振幅比の平均値が、予め設定した設定レベル以上か否かを判定し、さらに上記平均値が上記設定レベル以上である状態が所定の時間以上継続したか否かを判定する。
そして、上記平均値が上記設定レベル以上である状態が所定の時間以上継続した場合には、異常判定手段２３８は掘進機１０に異常が生じていると判定する。
また、異常判定手段２３８はこのとき、振幅比の平均値が設定レベルをどの程度越えているか、さらに、継続時間がどの程度であるかにより、異常の程度を判定する。
【００２６】
ここで、例えばカッタチップが摩耗することにより生じる異常音の周波数帯が狭帯域フィルタ２８ａを通過するものであり、検出信号２８ａｓに関して、振幅比の平均値が所定の時間以上継続して設定レベル以上であったときは、異常判定手段２３８は、カッタヘッド１２のカッタチップに摩耗が生じていると判定することになる。
【００２７】
異常判定手段２３８はまた、各検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓごとに、統計量算出手段２３６が算出した各検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓの振幅比の分散が、予め設定した設定レベル以下であり、その状態が所定の時間以上継続するか否かを調べる。
検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓの中の少なくとも１つがこのような条件を満たす場合には、振幅があまり変化せず、また周期もあまり変化しない異常な波形が可変増幅器２７が出力する検出信号に含まれていることになるので、異常判定手段２３８は掘進機１０に異常が生じていると判定する。
そして、異常判定手段２３８はこのような振幅比の平均値や分散にもとづく判定結果を表す信号を表示装置３３に出力し、掘進機１０に生じた異常の種類と異常の程度とを表示させる。
【００２８】
このように本実施例の掘進機の診断装置では、掘進機１０の稼働によって生じる音や振動を、統計的手法を用いて定量的に分析し、掘進機に異常が発生しているか否か、またどのような異常が発生しているか、さらにどの程度の異常であるかを正確に診断することができる。
従って、例えば、カッタヘッドの回転トルクが設定値以上になったことが計測された場合、その原因がカッタチップの摩耗によるものか、あるいはカッタヘッド駆動軸の軸受内に土砂が侵入したことによるものか、あるいはカッタヘッドが岩盤層を掘削することによるものかの診断も容易かつ正確に行うことができる。
【００２９】
また、検出信号の上記振幅比の平均値や分散がどのような値であるか、またそれらが、掘進機１０による掘削の進行に伴ってどのように推移するかを見ることによって、カッタチップの摩耗がどの程度進行しているかを判断し、カッタチップの寿命を診断することも可能である。
【００３０】
なお、本実施例では、各検出信号２８ａｓ〜２８ｎｓに関する振幅比の代表値および散布度として、統計量算出手段２３６は平均値および分散を算出するとしたが、これら以外にも代表値としては最大値、最小値、中央値、最頻値などを、また散布度としては標準偏差、平均偏差、あるいは振幅比分布曲線の傾き（例えば図８の直線Ａの傾き）などを統計量算出手段２３６が算出し、異常判定手段２３８はそれらを用いて掘進機１０の異常を判定するようにしてもよい。
【００３１】
また、代表値あるいは散布度のいずれか一方のみを用いて判定するだけでなく、その両方を用いてより正確な異常診断を図ることも可能である。
また、本実施例では、分布取得手段２３４は２分ごとに度数分布を求めるとしたが、これはあくまでも一例であり、この時間は必要に応じて適切に設定すればよく、２分とする以外にも、例えば１分、５分、あるいは１０分、あるいは秒単位といった時間に設定すればよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による掘進機の診断装置では、まず、音波センサが、掘進機の運転中に発生する音または振動を検出し、増幅器は音波センサの出力信号を所定レベルにまで増幅する。
そして、複数の狭帯域フィルタはそれぞれ増幅器の出力信号から、中心周波数の異なる狭帯域内の信号を抽出し、一方、広帯域フィルタは、増幅器の出力信号から、異常音または異常振動を含む所定帯域内の信号を抽出する。
振幅比算出手段は、所定時間ごとの狭帯域フィルタおよび広帯域フィルタの出力信号の振幅を求め、狭帯域フィルタの各出力信号の、広帯域フィルタの出力信号に対する振幅比を算出する。
分布取得手段は、この振幅比算出手段が算出した狭帯域フィルタの各出力信号に係わる振幅比の、一定期間内での度数分布を求め、統計量算出手段は、分布取得手段が求めた度数分布の特徴を表す数値を求める。
そして、異常判定手段は、統計量算出手段が求めた度数分布の特徴を表す数値にもとづいて、掘進機に異常が発生したか否かを判定する。
従って、本発明による掘進機の診断装置では、掘進機の稼働によって生じる音や振動を、統計的手法を用いて定量的に分析し、掘進機に異常が発生しているか否か、またどのような異常が発生しているか、さらにどの程度の異常であるかを正確に診断することができる。
【００３３】
また、統計的手法による定量的な分析結果にもとづいて、すなわち上記度数分布の特徴を表す数値によって、また、掘進機による掘削の進行に伴って上記数値がどのように推移するかを見ることによって、カッタチップの摩耗がどの程度進行しているかを判断し、カッタチップの寿命を診断することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による掘進機の診断装置の一例を示すブロック図である。
【図２】図１の診断装置を備えた土圧式シールド掘進機を示す概略構成図である。
【図３】図２のシールド掘進機を詳細に示す詳細構成図である。
【図４】図１の掘進機の診断装置を構成する狭帯域フィルタの周波数特性を示すグラフである。
【図５】図１の掘進機の診断装置を構成する狭帯域フィルタの周波数特性を示すグラフである。
【図６】図１の掘進機の診断装置を構成する広帯域フィルタの周波数特性を示すグラフである。
【図７】図１の掘進機の診断装置を構成する広帯域フィルタを通過した信号の検波結果を示す波形図である。
【図８】図１の掘進機の診断装置を構成する分布取得手段が求めた振幅比の度数分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１０シールド掘進機
１１シールドフレーム
１２カッタヘッド
１２ａカッタ駆動軸
１３隔壁
１４カッタチェンバ
１５スクリューコンベア
１６セグメント
１７軸受
１８油圧モータ
１９換気装置
２０管理室
２２コンピュータ
２３掘進機の診断装置
２３ａ診断装置本体
２３ｂ信号処理部
２３ｃ分析診断部
２４音波センサ
２６前置増幅器
２７可変増幅器
２８ａ〜２８ｎ狭帯域フィルタ
２９ａ〜２９ｎ、３１検波器
３０広帯域フィルタ
３２ＡＧＣ回路
３３表示装置
２３２振幅比算出手段
２３４分布取得手段
２３６統計量算出手段
２３８異常判定手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an excavator diagnosis apparatus for diagnosing abnormalities in an excavator during operation in an excavator such as a shield excavator or a tunnel boring machine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, methods for diagnosing abnormalities due to failure of an excavator during operation include earth pressure in the cutter chamber of the shield excavator, rotational torque of the cutter head, propulsive force of the shield jack, rotational torque of the screw conveyor for soil removal Is detected by each sensor, and when each detected value is equal to or greater than the set value or less than the set value, it is determined that an abnormality has occurred in a movable part such as a cutter head, a shield jack, or a screw conveyor. It was taken.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, with this method, it is not possible to detect an abnormality that occurs with wear or damage of a machine part or the like that gradually occurs when the excavator is operated for a long time.
For example, when it is measured that the rotational torque of the cutter head has exceeded the set value, whether the cause is due to wear of the cutter tip, or due to the intrusion of earth and sand into the bearing of the cutter head drive shaft, Alternatively, it is difficult to accurately determine whether the cutter head is due to excavation of the rock formation by simply monitoring the monitor in the ground control room.
[0004]
In addition, with regard to the life of the cutter tip attached to the cutter head, conventionally, the drilling extension that reaches the wear limit of the cutter tip from the distance that the cutter tip is transferred to the outermost periphery of the shield machine and the rock quality of the ground to be excavated The distance was obtained and the lifetime was estimated.
However, the actual amount of wear does not agree with the calculated value due to changes in the operation method and the ground, and accurate determination is difficult.
[0005]
The present invention has been made under such circumstances, and an object of the present invention is to quantitatively grasp the state of the excavator by statistical analysis of the detection result by the acoustic wave sensor, and to detect the abnormality of the excavator and the cutter. An object of the present invention is to provide an excavator diagnostic device that accurately diagnoses the life of a chip.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a sound wave sensor for detecting sound or vibration generated during operation of an excavator, an amplifier for amplifying an output signal of the sound wave sensor to a predetermined level, and an output signal of the amplifier. A plurality of narrowband filters that respectively extract a plurality of narrowband signals having different center frequencies; a wideband filter that extracts a signal within a predetermined band including abnormal sound or abnormal vibration from the output signal of the amplifier; and a predetermined Amplitude ratio calculating means for obtaining amplitudes of the output signals of the narrowband filter and the wideband filter for each time, and calculating an amplitude ratio of each output signal of the narrowband filter to an output signal of the wideband filter, and the narrowband Distribution acquisition means for obtaining a frequency distribution within a certain period of the amplitude ratio related to each output signal of the filter, and the degree obtained by the distribution acquisition means A statistic calculating means for obtaining a numerical value representing a distribution characteristic; and an abnormality for determining whether or not an abnormality has occurred in the excavator based on the numerical value representing the characteristic of the frequency distribution obtained by the statistic calculating means. And determining means.
[0007]
In the present invention, the numerical value representing the characteristic of the frequency distribution includes at least one of an average value, a maximum value, a minimum value, a median value, and a mode value of the amplitude ratio as a representative value of the amplitude ratio. It is characterized by that.
In the present invention, the numerical value representing the characteristics of the frequency distribution may include at least one of the dispersion of the amplitude ratio, the standard deviation, the average deviation, and the slope of the curve representing the frequency distribution as the dispersion ratio of the amplitude ratio. It is included.
The present invention is also characterized in that the abnormality determining means determines that an abnormality has occurred in the excavator when the representative value satisfies a predetermined condition.
The present invention is also characterized in that the abnormality determining means determines that an abnormality has occurred in the excavator when the spreading degree satisfies a predetermined condition.
The present invention is further characterized by further comprising display means for displaying the determination result by the abnormality determination means.
The present invention is also characterized in that the acoustic wave sensor is provided in a cutter chamber partition wall of the excavator.
[0008]
The sound wave sensor detects sound or vibration generated during operation of the excavator, and the amplifier amplifies the output signal of the sound wave sensor to a predetermined level.
Each of the plurality of narrowband filters extracts a signal in a narrowband having a different center frequency from the output signal of the amplifier, while the wideband filter extracts a signal in the predetermined band including abnormal sound or abnormal vibration from the output signal of the amplifier. Signal is extracted.
The amplitude ratio calculation means obtains the amplitudes of the output signals of the narrowband filter and the wideband filter every predetermined time, and calculates the amplitude ratio of each output signal of the narrowband filter to the output signal of the wideband filter.
The distribution acquisition means obtains a frequency distribution within a certain period of the amplitude ratio related to each output signal of the narrowband filter calculated by the amplitude ratio calculation means, and the statistic calculation means obtains the frequency distribution obtained by the distribution acquisition means. A numerical value representing the characteristics of
Then, the abnormality determination means determines whether or not an abnormality has occurred in the excavator based on the numerical value representing the characteristics of the frequency distribution obtained by the statistic calculation means.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, examples of the present invention will be described.
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a diagnostic device for an excavator according to the present invention, FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an entire earth pressure type shield excavator equipped with the diagnostic device of FIG. 1, and FIG. 3 is a shield excavation of FIG. It is a detailed block diagram which shows a machine in detail.
[0010]
2 and 3, reference numeral 10 denotes a shield machine, which is formed by a shield frame 11, a cutter head 12 that rotates at the front end of the shield frame 11 in the excavation direction and excavates the ground, and a partition wall 13 behind the cutter head 12. The cutter chamber 14 for retaining the excavated soil excavated by the cutter head 12 in a full state, the screw conveyor 15 for continuously discharging the excavated soil in the cutter chamber 14, a propulsion hydraulic jack and a segment 16 (not shown) Erecter for assembly.
The drive shaft 12 a of the cutter head 12 is rotatably supported by the partition wall 13 via a bearing 17 and is driven to rotate by a hydraulic motor 18. Reference numeral 19 denotes a ventilation device.
[0011]
In FIG. 2, 20 is a management room provided on the ground. In this management room 20, an operation panel 21 for operating the shield machine 10 is installed, and a computer 22 for controlling the shield machine 10 is installed. Has been.
Further, a diagnostic device main body 23a of the excavator according to the present invention is installed in the management room 20, and a sound wave sensor 24 attached to the partition wall 13 is connected to the diagnostic device main body 23a via a signal cable 25. Has been.
[0012]
The sonic sensor 24 detects excavation sound and vibration of the ground propagating from the cutter head 12 to the partition wall 13 and abnormal sound generated in mechanical parts such as the drive shaft 12a and the bearing 17. The sonic sensor 24 includes PZT. An acceleration sensor made of ceramics can be used.
The frequency characteristic may be flat in the audible sound band (10 Hz to 20 KHz).
[0013]
Next, the configuration of the diagnostic device 23 will be described in detail with reference to FIG.
In FIG. 1, a preamplifier 26 that amplifies the detection signal is connected to the sound wave sensor 24, and this preamplifier 26 is connected to the diagnostic apparatus main body 23 a via a signal cable 25.
[0014]
The diagnostic device main body 23a includes a signal processing unit 23b, an analysis / diagnosis unit 23c, and a display device 33.
First, the signal processing unit 23b includes a variable amplifier 27, narrow band filters 28a to 28n, detectors 29a to 29n, a wide band filter 30, a detector 31, and an AGC circuit 32.
The variable amplifier 27 is an amplifier whose amplification degree changes according to the signal from the AGC circuit 32. When the detection signal is received from the preamplifier 26 via the signal cable 25, the time average value of the amplitude level is substantially constant. Control continuously.
The plurality of narrow band filters 28a to 28n respectively extract narrow band signals having different center frequencies set for each abnormal sound of the excavator 10 from the signal output from the variable amplifier 27, and detect the detection signals 28as to 28 of each band. Output as 28 ns.
The plurality of detectors 29a to 29n individually detect the detection signals 28as to 28ns of these bands output from the narrow band filters 28a to 28n.
On the other hand, the broadband filter 30 extracts a signal having a predetermined bandwidth (200 Hz to 10 KHz) including various abnormal sounds from the signal output from the variable amplifier 27, and the detector 31 detects the signal output from the broadband filter 30. To do.
The AGC circuit 32 controls the amplification degree of the variable amplifier 27 based on the amplitude level of the detection signal output from the detector 31.
The center frequencies of the narrow-band filters 28a to 28n are determined based on experimentally obtained frequencies of various abnormal sounds generated due to wear of the cutter tip, damage to mechanical parts such as bearings, and the like.
[0015]
The analysis diagnosis unit 23c includes an amplitude ratio calculation unit 232, a distribution acquisition unit 234, a statistic calculation unit 236, and an abnormality determination unit 238.
The amplitude ratio calculation means 232 first samples the output signals of the detectors 29a to 29n, 31, that is, the detection signals at a period of several msec, specifically, at a period of 4 msec in this embodiment, and converts it into a digital signal. In this embodiment, an average value of five sampled signals is obtained for each detected signal, and these are used as the amplitude of each detected signal.
Next, the amplitude of the detection signal from each of the detectors 29a to 29n thus determined is divided by the amplitude of the detection signal from the detector 31, and the detection signal of each of the detectors 29a to 29n is detected by the detector 31. An amplitude ratio with respect to the detection signal is calculated.
As described above, in this embodiment, sampling is performed at a cycle of 4 msec and an average value of five signals is obtained, so that the amplitude ratio calculation means 232 calculates the amplitude ratio every 20 msec.
[0016]
The distribution acquisition means 234 detects each detection signal calculated by the amplitude ratio calculation means 232 within several minutes (specifically, 2 minutes in this embodiment) every few minutes, specifically, every 2 minutes in this embodiment. Frequency distribution, and hence the frequency distribution of the amplitude ratio of the detection signals 28as to 28ns in each band.
That is, the distribution acquisition unit 234 divides the amplitude ratio into a plurality of levels (20 levels in this embodiment) at predetermined increments (0.05 in this embodiment) for each of the detection signals 28as to 28ns. The number of occurrences of the amplitude ratio is obtained.
[0017]
The statistic calculation means 236 uses the average value in this embodiment as a numerical value representing the representative value of the amplitude ratio and the dispersion degree for each of the detection signals 28as to 28ns from the frequency distribution obtained by the distribution acquisition means 234. Find variance.
Then, the statistic calculation unit 236 supplies the obtained average value and variance to the abnormality determination unit 238, and outputs signals representing the average value and variance to the display device 33 to display them.
The abnormality determination means 238 determines whether or not an abnormality has occurred in the excavator 10 based on the average value and variance of the amplitude ratio obtained by the statistic calculation means 236, and a signal representing the determination result is displayed on the display device 33. Output.
The amplitude ratio calculation means 232, distribution acquisition means 234, statistic calculation means 236, and abnormality determination means 238 can be configured by, for example, a personal computer equipped with an A / D converter.
[0018]
Next, the operation of the thus configured excavator diagnostic apparatus will be described.
When the shield machine 10 is in operation, the ground excavation sound and crushing sound by the cutter head 12, the vibration of the machine body, the rotation sound of the cutter drive shaft 12 a, and other audible band sounds and vibrations are generated by the sound wave sensor 24. After being picked up and converted into an electric signal, it is amplified by a preamplifier 26 and input to a variable amplifier 27 through a signal cable 25 as a detection signal.
When the detection signal amplified by the variable amplifier 27 is applied to the wideband filter 30, the high frequency range of 10 KHz or higher generated from the hydraulic system of the excavator 10, the ventilation device 19 in the tunnel, or the like and 200 Hz or lower is generated. A signal having a frequency in a range of 200 Hz to 10 KHz including excavation sound and abnormal sound is passed through by cutting a low frequency signal.
FIG. 6 is a graph showing the frequency characteristics of the broadband filter 30.
[0019]
The signal that has passed through the broadband filter 30 is detected by a detector 31 and is output to the AGC circuit 32 as a waveform as shown in FIG.
The AGC circuit 32 that has received this detection output performs AGC processing based on the time average of the amplitude, and feeds back the obtained AGC signal to the variable amplifier 27. The output amplitude is controlled to be almost constant by changing the soil characteristics of the excavated ground.
[0020]
On the other hand, when the detection signals amplified by the variable amplifier 27 are added to the narrow band filters 28a to 28n, the narrow band filters 28a to 28n are about 1/10 of the center frequency from the different center frequencies up and down. Since it is a narrow band pass filter having a bandwidth, only detection signals having a frequency matching each narrow band pass through the corresponding narrow band filters 28a to 28n and are output to the corresponding detectors 29a to 29n.
FIG. 4 shows the frequency characteristics of the narrowband filter 28a, and FIG. 5 shows the frequency specification of the narrowband filter 28b.
[0021]
The detectors 29a to 29n respectively detect the detection signals 28as to 28ns that have passed through the corresponding narrow band filters 28a to 28n, and output the results to the amplitude ratio calculation means 232.
[0022]
When the amplitude ratio calculation means 232 receives the detection signals from the detectors 29a to 29n, 31, first, the detection signal is sampled and converted into a digital signal at a fixed period of 4 msec in this embodiment, and for each detection signal, In the present embodiment, an average value of five sampled signals is obtained and used as the amplitude of each detection signal.
Next, the amplitudes of the detection signals from the detectors 29a to 29n thus determined are divided by the amplitudes of the detection signals from the detector 31 to detect the detection signals of the detection signals by the detectors 29a to 29n. The amplitude ratio with respect to the detection signal by 31 is calculated. As described above, in this embodiment, sampling is performed at a cycle of 4 msec and an average value of five signals is obtained, so that the amplitude ratio calculation means 232 calculates the amplitude ratio every 20 msec.
[0023]
Then, the distribution acquisition unit 234 performs frequency distribution of the amplitude ratio of each detection signal calculated by the amplitude ratio calculation unit 232 within each two-minute period, and thus the amplitude ratio of the detection signals 28as to 28ns in each band, every two minutes. Ask for.
That is, the distribution acquisition unit 234 divides the amplitude ratio into a plurality of levels (20 levels in this embodiment) at predetermined increments (0.05 in this embodiment) for each of the detection signals 28as to 28ns. The number of occurrences of the amplitude ratio is obtained.
An example of the frequency distribution of the amplitude ratio obtained by the distribution acquisition unit 234 is shown in a graph in FIG .
The horizontal axis of this graph represents, for example, the amplitude ratio of the detection signal 28as, and the vertical axis represents the number of occurrences (note that it is note-marked with the maximum value).
[0024]
The statistic calculation unit 236 uses the average value in the present embodiment as a numerical value representing the representative value of the amplitude ratio and the distribution degree for each of the detection signals 28as to 28ns from the frequency distribution obtained by the distribution acquisition unit 234. Find variance.
Then, the obtained average value and variance are supplied to the abnormality determining means 238, and signals representing the average value and variance are output to a display device to be displayed.
The abnormality determination means 238 determines whether or not an abnormality has occurred in the excavator 10 based on the average value and variance of the amplitude ratio obtained by the statistic calculation means 236, and a signal representing the determination result is displayed on the display device 33. Output.
In general, when the excavator 10 is operating normally, the spectrum of the detection signal output from the variable amplifier 27 is a broadband spectrum having no peak at a specific frequency, while the excavator 10 becomes abnormal. Sometimes it becomes a narrowband spectrum with a peak at a specific frequency.
The abnormality determination means 238 basically determines whether or not the excavator 10 is abnormal based on such knowledge.
[0025]
Specifically, the abnormality determination unit 238 determines whether or not the average value of the amplitude ratio is equal to or higher than a preset setting level for each of the detection signals 28as to 28ns, and the average value is equal to or higher than the set level. It is determined whether or not a certain state has continued for a predetermined time or more.
Then, when the state where the average value is equal to or higher than the set level continues for a predetermined time or longer, the abnormality determination means 238 determines that an abnormality has occurred in the excavator 10.
At this time, the abnormality determining means 238 determines the degree of abnormality depending on how much the average value of the amplitude ratio exceeds the set level and how long the duration is.
[0026]
Here, for example, the frequency band of abnormal sound caused by wear of the cutter tip passes through the narrow band filter 28a, and the average value of the amplitude ratio of the detection signal 28as continues for a predetermined time or more and exceeds the set level. If so, the abnormality determining means 238 determines that the cutter tip of the cutter head 12 is worn.
[0027]
In addition, the abnormality determination unit 238 has a variance of the amplitude ratio of the detection signals 28as to 28ns calculated by the statistic calculation unit 236 for each of the detection signals 28as to 28ns, which is equal to or lower than a preset setting level. To see if it lasts longer than
When at least one of the detection signals 28as to 28ns satisfies such a condition, an abnormal waveform whose amplitude does not change so much and whose period does not change so much is included in the detection signal output from the variable amplifier 27. Therefore, the abnormality determination unit 238 determines that an abnormality has occurred in the excavator 10.
Then, the abnormality determination unit 238 outputs a signal representing the determination result based on the average value and variance of the amplitude ratio to the display device 33 to display the type of abnormality and the degree of abnormality that have occurred in the excavator 10.
[0028]
Thus, in the excavator diagnostic device of the present embodiment, the sound and vibration generated by the operation of the excavator 10 are quantitatively analyzed using a statistical method, and whether or not an abnormality has occurred in the excavator, In addition, it is possible to accurately diagnose what kind of abnormality has occurred and how much abnormality has occurred.
Therefore, for example, when it is measured that the rotational torque of the cutter head has exceeded the set value, the cause is due to the wear of the cutter tip, or because the sand or sand has entered the bearing of the cutter head drive shaft. It is possible to easily and accurately diagnose whether the cutter head is due to excavation of the rock formation.
[0029]
In addition, by looking at what the average value and variance of the amplitude ratio of the detection signal are, and how they change with the progress of excavation by the excavator 10, It is also possible to determine how much wear has progressed and diagnose the life of the cutter tip.
[0030]
In this embodiment, the statistic calculation means 236 calculates the average value and the variance as the representative value of the amplitude ratio and the degree of dispersion for each of the detection signals 28as to 28ns. The statistic calculation means 236 calculates the minimum value, median value, mode value, etc., and the dispersion degree includes standard deviation, average deviation, or slope of the amplitude ratio distribution curve (for example, the slope of the straight line A in FIG. 8). Then, the abnormality determination means 238 may determine the abnormality of the excavator 10 using them.
[0031]
Moreover, it is possible not only to make a determination using only one of the representative value and the dispersion degree, but also to make a more accurate abnormality diagnosis using both of them.
In this embodiment, the distribution acquisition unit 234 obtains the frequency distribution every two minutes. However, this is merely an example, and this time may be set appropriately as necessary, except for setting it to two minutes. For example, the time may be set to 1 minute, 5 minutes, 10 minutes, or seconds.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, in the excavator diagnosis device according to the present invention, first, the sound wave sensor detects sound or vibration generated during operation of the excavator, and the amplifier amplifies the output signal of the sound wave sensor to a predetermined level. .
Each of the plurality of narrowband filters extracts a signal in a narrowband having a different center frequency from the output signal of the amplifier, while the wideband filter extracts a signal in the predetermined band including abnormal sound or abnormal vibration from the output signal of the amplifier. Signal is extracted.
The amplitude ratio calculation means obtains the amplitudes of the output signals of the narrowband filter and the wideband filter every predetermined time and calculates the amplitude ratio of each output signal of the narrowband filter to the output signal of the wideband filter.
The distribution acquisition means obtains a frequency distribution within a certain period of the amplitude ratio related to each output signal of the narrowband filter calculated by the amplitude ratio calculation means, and the statistic calculation means obtains the frequency distribution obtained by the distribution acquisition means. A numerical value representing the characteristics of
Then, the abnormality determination means determines whether or not an abnormality has occurred in the excavator based on the numerical value representing the characteristics of the frequency distribution obtained by the statistic calculation means.
Therefore, in the excavator diagnosis device according to the present invention, the sound and vibration generated by the operation of the excavator are quantitatively analyzed using a statistical method to determine whether or not an abnormality has occurred in the excavator. Therefore, it is possible to accurately diagnose whether or not a certain abnormality has occurred and how much abnormality has occurred.
[0033]
Also, based on the quantitative analysis results by statistical methods, that is, by the numerical values representing the characteristics of the frequency distribution, and by looking at how the numerical values change as the excavator advances It is also possible to determine how much the wear of the cutter tip has progressed and diagnose the life of the cutter tip.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a diagnostic apparatus for an excavator according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an earth pressure shield machine equipped with the diagnostic device of FIG. 1;
FIG. 3 is a detailed configuration diagram illustrating in detail the shield machine of FIG. 2;
4 is a graph showing frequency characteristics of a narrow band filter constituting the diagnostic apparatus for the excavator shown in FIG. 1; FIG.
5 is a graph showing frequency characteristics of a narrow band filter constituting the diagnostic apparatus for the excavator shown in FIG. 1; FIG.
6 is a graph showing frequency characteristics of a broadband filter constituting the diagnostic apparatus for the excavator shown in FIG. 1; FIG.
7 is a waveform diagram showing a detection result of a signal that has passed through a wideband filter that constitutes the diagnostic apparatus for the excavator shown in FIG. 1; FIG.
8 is a graph showing the frequency distribution of the amplitude ratio obtained by the distribution acquisition means constituting the diagnostic apparatus for the excavator shown in FIG. 1; FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Shield machine 11 Shield frame 12 Cutter head 12a Cutter drive shaft 13 Bulkhead 14 Cutter chamber 15 Screw conveyor 16 Segment 17 Bearing 18 Hydraulic motor 19 Ventilator 20 Management room 22 Computer 23 Excavator diagnostic device 23a Diagnostic device main body 23b Signal processing Unit 23c analysis and diagnosis unit 24 acoustic wave sensor 26 preamplifier 27 variable amplifiers 28a to 28n narrowband filters 29a to 29n, 31 detector 30 wideband filter 32 AGC circuit 33 display device 232 amplitude ratio calculation means 234 distribution acquisition means 236 statistics calculation Means 238 Abnormality determination means

Claims

A sound wave sensor for detecting sound or vibration generated during operation of the excavator,
An amplifier for amplifying the output signal of the acoustic wave sensor to a predetermined level;
A plurality of narrowband filters for respectively extracting signals in a plurality of narrowbands having different center frequencies from the output signal of the amplifier;
A broadband filter for extracting a signal within a predetermined band including abnormal sound or abnormal vibration from the output signal of the amplifier;
Amplitude ratio calculation means for obtaining the amplitude of the output signal of the narrowband filter and the wideband filter for each predetermined time, and calculating the amplitude ratio of each output signal of the narrowband filter to the output signal of the wideband filter;
Distribution acquisition means for obtaining a frequency distribution within a certain period of the amplitude ratio related to each output signal of the narrowband filter;
Statistic calculation means for obtaining a numerical value representing the characteristics of the frequency distribution obtained by the distribution acquisition means;
An abnormality determining means for determining whether or not an abnormality has occurred in the excavator based on the numerical value representing the characteristics of the frequency distribution obtained by the statistic calculating means;
A diagnostic apparatus for an excavator characterized by comprising:

The numerical value representing the characteristic of the frequency distribution obtained by the statistic calculation means includes, as a representative value of the amplitude ratio, among the average value, maximum value, minimum value, median value, and mode value of the amplitude ratio. The diagnostic device for an excavator according to claim 1, wherein at least one is included.

The numerical value representing the characteristics of the frequency distribution obtained by the statistic calculation means includes the dispersion of the amplitude ratio, the standard deviation, the average deviation, and the slope of the curve representing the frequency distribution as the dispersion ratio of the amplitude ratio. The digging machine diagnostic apparatus according to claim 1, wherein at least one of the following is included.

The digging machine diagnosis device according to claim 2, wherein the abnormality determination unit determines that an abnormality has occurred in the excavator when the representative value satisfies a predetermined condition.

The diagnostic apparatus for an excavator according to claim 3, wherein the abnormality determination means determines that an abnormality has occurred in the excavator when the spreading degree satisfies a predetermined condition.

The digging machine diagnosis apparatus according to claim 1, further comprising display means for displaying a determination result by the abnormality determination means.

The digging machine diagnosis apparatus according to claim 1, wherein the acoustic wave sensor is provided in a cutter chamber partition wall of the excavator.