JP2008044700A - ウインチ回路の異常検出装置および異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウインチ回路の異常判定を容易に行う。
【解決手段】ウインチ駆動用の油圧モータ１２に油圧ポンプ１１からの吐出圧を供給するウインチ回路と、ウインチロープ１ａの張力を検出する張力検出手段４０と、ウインチ回路上の異常判定に関する所定の物理量ｑ，Ｐ，Ｎを検出する物理量検出手段５２〜５５と、張力検出手段４０により検出されたロープ張力に基づき、所定の物理量ｑ，Ｐ，Ｎを算出する物理量算出手段７０と、物理量検出手段により検出された物理量と物理量算出手段により算出された物理量とを比較して、ウインチ回路上の異常を判定する異常判定手段７０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウインチ回路の異常を検出する異常検出装置および異常検出方法に関する。

一般に、ウインチ回路は、油圧ポンプと、油圧ポンプからの圧油により駆動するウインチ駆動用油圧モータと、油圧ポンプから油圧モータへの圧油の流れを制御する制御弁等からなり、オペレータが制御弁を操作してブームの昇降、吊り荷の巻上げ、巻下げ等を行うように構成される。この種のウインチ回路において、油圧モータからの油の漏れ量が増加した場合には吊り荷が自重で落下するおそれがあり、この吊り荷の落下を防止するようにした装置がある（例えば特許文献１参照）。

特開平１１−２６３５９４号公報

しかしながら、従来は、油圧モータからの油の漏れ量の増加等、ウインチ回路上に何らかの異常があっても、その異常発生を容易に検出することができなかった。

本発明によるウインチ回路の異常検出装置は、ウインチ駆動用の油圧モータに油圧ポンプからの吐出圧を供給するウインチ回路と、ウインチロープの張力を検出する張力検出手段と、ウインチ回路上の異常判定に関する所定の物理量を検出する物理量検出手段と、張力検出手段により検出されたロープ張力に基づき、所定の物理量を算出する物理量算出手段と、物理量検出手段により検出された物理量と物理量算出手段により算出された物理量とを比較して、ウインチ回路上の異常を判定する異常判定手段とを備えることを特徴とする。
ブームに作用する負荷を制限する過負荷防止装置をさらに備え、過負荷防止装置からの信号に基づきロープ張力を検出することもできる。
油圧モータを、可変容量型油圧モータとして構成し、この油圧モータのモータ容量、モータの有効圧力、およびモータ回転速度を上述の物理量とすることもできる。
この場合、検出されたモータ容量と算出されたモータ容量とを比較してモータ容量の異常を判定した後、検出されたモータの有効圧力と算出されたモータの有効圧力とを比較してモータ圧力の異常を判定し、さらにその後、検出されたモータ回転速度と算出されたモータ回転速度とを比較してモータ回転速度の異常を判定することが好ましい。
本発明によるウインチ回路の異常検出方法は、ウインチ回路上の異常判定に関する所定の物理量を検出する工程と、ウインチロープの張力の検出値に基づき、所定の物理量を算出する工程と、検出された物理量と算出された物理量とを比較して、ウインチ回路上の異常を判定する工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ウインチ回路上の異常判定に関する物理量を算出し、この算出値と検出値とを比較して異常を判定するので、ウインチ回路における異常を容易に検出することができる。

以下、図１〜図８を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に異常検出装置により異常が検出されるウインチの油圧回路図である。この油圧回路は、ブーム１を起伏するブーム起伏用回路１０と、吊り荷２を巻き上げる巻上用回路２０とに大別される。

ブーム起伏用回路１０は、エンジン３０により駆動される可変容量型油圧ポンプ１１と、この油圧ポンプ１１からの圧油により駆動する可変容量型油圧モータ１２と、油圧ポンプ１１から油圧モータ１２への油の流れを制御する方向制御弁１３と、方向制御弁１３を操作する起伏用操作レバー１４と、制御弁１３からブリードオフされた圧油の圧力を制御する圧力補償弁１５とを有する。

操作レバー１４を巻上げまたは巻下げ操作すると、その操作量に応じたパイロットポンプ３１からのパイロット圧が方向制御弁１３に作用し、方向制御弁１３が中立位置から巻上げ側または巻下げ側に切り換わる。これにより油圧ポンプ１１からの吐出油により油圧モータ１２が回転し、起伏ドラム１が巻上げまたは巻下げ駆動して起伏ロープ１ａが巻き取りまたは繰り出され、ペンダントロープ５を介してブーム３が起伏する。この場合、方向制御弁１３の前後差圧は圧力補償弁１５により補償されており、油圧モータ１２は負荷の大きさに拘わらず操作レバー１４の操作量に応じた速度で駆動される。

ブーム起伏用回路１０における油圧ポンプ１１の吐出量はポンプ流量計５１により検出され、モータ容量は容量検出器５２により検出され、油圧モータ１２に作用する巻上げ側および巻下げ側の駆動圧はそれぞれ圧力センサ５３，５４により検出され、油圧モータ１２の回転数は回転検出器５５により検出され、操作レバー１４の巻上げおよび巻下げ操作によるパイロット圧はそれぞれ圧力センサ５６，５７により検出される。

一方、巻上用回路２０は、エンジン３０により駆動される可変容量型油圧ポンプ２１と、この油圧ポンプ２１からの圧油により駆動する可変容量型油圧モータ２２と、油圧ポンプ２１から油圧モータ２２への油の流れを制御する方向制御弁２３と、方向制御弁２３を操作する巻上げ用操作レバー２４と、制御弁２３からブリードオフされた圧油の圧力を制御する圧力補償弁２５とを有する。

操作レバー２４を巻上げまたは巻下げ操作すると、その操作量に応じたパイロットポンプ３１からのパイロット圧が方向制御弁２３に作用し、方向制御弁２３が中立位置から巻上げ側または巻下げ側に切り換わる。これにより油圧ポンプ２１からの吐出油により油圧モータ２２が回転し、巻上げドラム２が巻上げまたは巻下げ駆動して巻上げロープ２ａが巻き取りまたは繰り出され、吊り荷４が昇降する。この場合、方向制御弁２３の前後差圧は圧力補償弁２５により補償されており、油圧モータ２２は負荷の大きさに拘わらず操作レバー２４の操作量に応じた速度で駆動される。

巻上げ用回路２０における油圧ポンプ２１の吐出量はポンプ流量計６１により検出され、モータ容量は容量検出器６２により検出され、油圧モータ２２に作用する巻上げ側および巻下げ側の駆動圧はそれぞれ圧力センサ６３，６４により検出され、油圧モータ２２の回転数は回転検出器６５により検出され、操作レバー２４の巻上げおよび巻下げ操作によるパイロット圧はそれぞれ圧力センサ６６，６７により検出される。

ペンダントロープ５は起伏ロープ１ａを介してブーム先端部を支持しており、ペンダントロープ５にはブーム３の自重と吊り荷４の重量に応じたロープ張力が作用する。ペンダントロープ５の張力と起伏ロープ１ａの張力および巻上げロープ２ａの張力との間には所定の相関関係があり、ペンダントロープ５の張力を求めれば、起伏ロープ１ａおよび巻上げロープ２ａの張力を求めることができる。

図２は、本実施の形態に係る異常検出装置の構成を示すブロック図である。コントローラ７０には、上述した流量計５１，６１、容量検出器５２，６２、回転検出器５５，６５、および圧力センサ５２，５３，５６，５７，６２，６３，６６，６７が接続されている。さらにコントローラ７０には、モーメントリミッタなどの過負荷防止装置４０が接続されている。

過負荷防止装置４０は、ブーム角度、ブーム長さ、およびペンダントロープ５に作用するロープ張力により実作業半径とブーム３に作用する実荷重とを演算する。そして、予め定められた限界荷重曲線を用いて実作業半径に対応する限界荷重を求め、この限界荷重と実荷重とを比較して、クレーンが転倒しないようにドラム１，２の駆動を制限する。ここで、ブーム角度はブーム角度計４１により検出され、ブーム長さはブーム長さ設定器４２により設定され、ロープ張力はロードセル４３により検出される。コントローラ７０は、各種センサ５１〜５７，６１〜６７および過負荷防止装置４０からの信号に基づき後述の処理を実行し、運転室内の表示部７１に制御信号を出力する。

コントローラ７０には、予め図３に示すように各油圧モータ１２，２２の有効圧力（モータ圧力Ｐ）とモータ容量ｑとの関係、および各油圧モータ１２，２２のモータ容量ｑと起伏ロープ１ａおよび巻上げロープ２ａのロープ張力Ｆとの関係が記憶されている。図３（ａ）に示すように、モータ容量ｑは、モータ圧力Ｐが所定値Ｐａに達するまでは最小ｑｍｉｎであり、所定値Ｐａを超えると最大ｑｍａｘとなる。すなわち各油圧モータ１２，２２は容量制御用レギュレータを有し、モータ容量ｑはモータ圧力Ｐに応じて制御される。

ロープ張力Ｆはモータ駆動トルクに比例し、モータ駆動トルクは主にモータ容量ｑとモータ圧力Ｐと機械効率ηの積（Ｐ×ｑ×η）によって表される。そのため、図３（ｂ）に示すようにロープ張力Ｆは、モータ容量ｑが最小ｑｍｉｎのときは、モータ圧力Ｐの増加に伴いＦ１まで増加し、最小ｑｍｉｎと最大ｑｍａｘの間の範囲では、モータ圧力一定のままモータ容量ｑの増加に伴いＦ１からＦ２まで増加し、モータ容量ｑが最大ｑｍａｘのときは、モータ圧力Ｐの増加に伴いＦ２よりさらに増加する。

このようにモータ容量ｑとモータ圧力Ｐとロープ張力Ｆとの間には一定の対応関係があり、ロープ張力Ｆがわかれば、モータ容量ｑとモータ圧力Ｐを算出することができる。このモータ容量ｑとモータ圧力Ｐの算出値が実測値から大きくずれている場合には、回路上に何らかの異常があると判定できる。

コントローラ７０には、さらに図４に示すような制御弁１３，２３の開口特性も記憶されている。図４において、特性ａはタンクへと通じる通路の開口面積を、特性ｂはモータ１２，２２へと通じる通路の開口面積をそれぞれ示しており、各開口面積はスプールのストロークにより変化する。これによりスプールストローク量に応じた制御弁１３，２３の開口面積を算出することができる。

制御弁１３，２３の前後差圧は圧力補償弁１５，２５により圧力補償されているため、開口面積を算出できれば油圧モータ１２，２２に供給されるモータ流量を算出することができ、さらにモータ容量ｑを用いてモータ回転数Ｎを算出することができる。このモータ回転数Ｎの算出値が実測値から大きくずれている場合には、回路上に何らかの異常があると判定できる。

図５は、コントローラ７０で実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、例えばエンジンキースイッチのオンによりスタートする。ステップＳ１００では、モータ容量ｑの異常を判定するモータ容量異常判定処理を実行する。ステップＳ２００では、モータ圧力Ｐの異常を判定するモータ圧力異常判定処理を実行する。ステップＳ３００では、モータ速度Ｎの異常を判定するモータ速度異常判定処理を実行する。ステップＳ４００では、各判定処理による判定結果を表示部７１に出力する出力処理を実行する。以下、各ステップの処理を詳細に説明する。なお、以下では、とくにブーム起伏用回路１０の異常判定について説明する。

図６は、ステップＳ１００のモータ容量異常判定処理の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ１０１では、容量検出器５２により検出されたモータ容量ｑの実測値を読み込む。ステップＳ１０２では、過負荷防止装置４０からの信号により起伏ロープ１ａの張力Ｆを検出する。ステップＳ１０３では、予め記憶された図３の関係を用いて、ロープ張力Ｆに対応したモータ容量ｑを算出する。

ステップＳ１０４では、モータ容量ｑの実測値（ステップＳ１０１）と算出値（ステップＳ１０３）との差（絶対値）が所定の基準値α１より大きいか否かを判定する。基準値α１より大きいときはステップＳ１０５に進み、モータ容量ｑが異常と判定する。基準値α１以下のときはステップＳ１０６に進み、モータ容量ｑが正常と判定する。

図７は、ステップＳ２００のモータ圧力異常判定処理の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ２０１では、圧力検出器５３，５４により検出された圧力を読み込み、両者の差圧であるモータ圧力（有効圧力）Ｐの実測値を求める。ステップＳ２０２では、予め記憶された図３の関係を用いて、ステップＳ１０２のロープ張力Ｆに対応したモータ圧力Ｐを算出する。この場合、モータ圧力Ｐを算出するためにはモータ容量ｑが必要となるが、モータ容量ｑはステップＳ１０１の実測値を用いる。

ステップＳ２０３では、モータ圧力Ｐの実測値（ステップＳ２０１）と算出値（ステップＳ２０２）との差（絶対値）が所定の基準値α２より大きいか否かを判定する。基準値α２より大きいときはステップＳ２０４に進み、モータ圧力Ｐが異常と判定する。基準値α２以下のときはステップＳ２０５に進み、モータ圧力Ｐが正常と判定する。

図８は、ステップＳ３００のモータ速度異常判定処理の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ３０１では、回転検出器５５により検出されたモータ回転数Ｎの実測値を読み込む。ステップＳ３０２では、圧力センサ５６，５７により検出されたパイロット圧を読み込む。検出されたパイロット圧は、制御弁１３のスプールストローク量に対応しており、ステップＳ３０３では、予め記憶された図４の関係を用いて、スプールストローク量に応じた制御弁１３の開口面積を算出する。ステップＳ３０４では、この開口面積と流量計５１によって検出されたポンプ流量とにより、油圧モータ１２に供給されるモータ流量を算出する。

ステップＳ３０５では、モータ流量を、容量検出器５２により検出されたモータ容量ｑで除算してモータ回転数Ｎを算出する。ステップＳ３０６では、モータ回転数Ｎの実測値（ステップＳ３０１）と算出値（ステップＳ３０５）の差が所定の基準値α３より大きいか否かを判定する。基準値α３より大きいときはステップＳ３０７に進み、モータ回転数Ｎが異常と判定する。基準値α３以下のときはステップＳ３０８に進み、モータ回転数Ｎが正常と判定する。

以上の異常判定処理が終了すると、ステップＳ４００で判定結果を表示部７１に出力し、表示部７１の表示を制御する。この場合、モータ容量異常（ステップＳ１０５）、モータ圧力異常（ステップ２０４）、モータ回転数異常（ステップＳ３０７）と判定されると、表示部７１は各異常に対応した異なる警報を表示する。例えば表示部７１に警報ランプを３カ所設置し、各異常に対応してそれぞれ異なる警報ランプを点灯する。これにより異常箇所が複数ある場合であっても、オペレータはその異常箇所を認識できる。

本実施の形態の動作をまとめると次のようになる。
まず、コントローラ７０はモータ容量異常判定処理（ステップＳ１００）を実行する。例えば容量制御用レギュレータが故障すると、モータ圧力Ｐの変化に追従してモータ容量ｑが変化しなくなり、モータ容量ｑの実測値と推定値の差が基準値α１よりも大きくなる。この場合、モータ容量異常と判定され（ステップＳ１０５）、表示部７１に所定の警報が表示される（ステップＳ４００）。これによりオペレータはモータ容量ｑが異常であることを認識できる。

モータ容量異常判定処理が終了すると、コントローラ７０はモータ圧力異常判定処理（ステップＳ２００）を実行する。例えばシール部の摩耗等により油圧モータ１２からの圧油の漏れ量が多くなると、モータ１２の機械効率ηが低下するため、所定のモータ駆動トルクを出力するために必要なモータ圧力Ｐ（実測値）が増加する。この場合、モータ圧力Ｐの実測値と推定値の差が基準値α２よりも大きくなって、モータ圧力異常と判定され（ステップＳ２０４）、表示部７１に所定の警報が表示される。これによりオペレータはモータ圧力Ｐが異常であることを認識できる。

モータ圧力異常判定処理が終了すると、コントローラ７０はモータ速度異常判定処理（ステップＳ３００）を実行する。例えば制御弁１３や圧力補償弁１５が故障すると、制御弁１３にパイロット圧が作用してもそれに見合ったモータ流量が流れない。この場合、モータ回転数Ｎの実測値と推定値の差が基準値α３よりも大きくなって、モータ回転数異常と判定され（ステップＳ３０７）、表示部７１に所定の警報が表示される。これによりオペレータはモータ回転数Ｎが異常であることを認識できる。

このようにモータ容量異常判定処理、モータ圧力異常判定処理、モータ速度異常判定処理を順次行うことで、モータ回路上の異常箇所を絞り込むことができ、異常箇所の特定が可能となる。この場合、モータ圧力異常判定処理およびモータ速度異常判定処理では、モータ容量ｑの実測値を用いてモータ圧力Ｐおよびモータ回転数Ｎを算出し（ステップＳ２０２，Ｓ３０５）、異常判定するため、モータ容量ｑが異常である場合にも、モータ圧力とモータ回転数の異常を検出することができ、複数箇所の異常を同時に検出できる。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）ロープ張力Ｆに基づきモータ容量ｑ、モータ圧力Ｐ、モータ回転数Ｎを算出し、これら算出値と実測値とをそれぞれ比較して、その差が基準値α１〜α３より大きいときに、ウインチ回路の異常と判定するようにした。これによりウインチ回路における異常を容易に検出することができる。そのため、異常発生後、早期に各種メンテナンス等を行うことができ、油圧機器に与えるダメージを最小限に抑えることができる。
（２）過負荷防止装置４０からの信号によりロープ張力Ｆを検出するので、ロープ張力Ｆを検出するためのセンサを追加する必要がない。そのため、構成を簡素化することができ、ウインチ回路の異常発生の検出が一層容易である。
（３）モータ容量異常判定処理、モータ圧力異常判定処理、モータ速度異常判定処理を順次行うので、異常箇所の絞り込みが容易である。
（４）異常判定処理における判定結果を表示部７１に表示するので、オペレータは異常を容易に認識できる。
（５）この際、各異常に対応して異なった表示とするので、オペレータは異常箇所を容易に認識することができ、効率よくメンテナンスを行うことができる。

なお、上記実施の形態では、過負荷防止装置４０からの信号に基づきロープ張力Ｆを検出したが、他の張力検出手段によりロープ張力Ｆを検出してもよい。モータ容量ｑとモータ圧力Ｐとモータ回転数Ｎについて、それぞれ異常を判定したが、他の物理量について異常を判定してもよい。したがって、容量検出器５２，６２、圧力センサ５３，５４，６３，６４、回転検出器５５，６５以外を物理量検出手段としてもよい。

ロープ張力Ｆとモータ容量ｑとモータ圧力Ｐとの関係（図３）、および制御弁１３，２３の開口面積特性（図４）を予めコントローラ７０に記憶し、これらの関係を用いてモータ容量ｑ、モータ圧力Ｐ、モータ回転数Ｎを算出したが、物理量算出手段としてのコントローラ７０における処理はこれに限らない。例えばロードセル４３の検出値とモータ容量等との関係を予め記憶し、ロードセル４３の検出値から直接モータ容量等を算出してもよい。モータ容量等の実測値と算出値との差が基準値より大きいか否かにより異常判定するようにしたが、実測値と算出値を比較して異常判定するのであれば、異常判定手段の構成はこれに限らない。

異常判定結果を表示部７１に表示するようにしたが、例えばクレーンに通信手段を搭載し、異常判定結果を通信手段を介して基地局に送信するようにしてもよい。上記実施の形態では、ブーム起伏用回路１０と巻上用回路２０の異常判定について説明したが、他のウインチ回路の異常判定も同様に行うことができる。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の異常検出装置に限定されない。

本発明の実施の形態にウインチの油圧回路図。 本実施の形態に係る異常検出装置の構成を示すブロック図。 （ａ）は油圧モータのモータ圧力とモータ容量との関係を示す図、（ｂ）はモータ容量とロープ張力との関係を示す図。 図１の制御弁の開口特性を示す図。 図２のコントローラで実行される処理の一例を示すフローチャート。 図５のモータ容量異常判定処理の詳細を示すフローチャート。 図５のモータ圧力異常判定処理の詳細を示すフローチャート。 図５のモータ速度異常判定処理の詳細を示すフローチャート。

符号の説明

１２，２２ 油圧モータ
１３，２３ 制御弁
４０ 過負荷防止装置
４３ ロードセル
５１，６１ 流量計
５２，６２ 容量検出器
５５，６５ 回転検出器
５３，５４，５６，５７，６３，６４，６６，６７ 圧力センサ
７０ コントローラ

Claims (5)

1. ウインチ駆動用の油圧モータに油圧ポンプからの吐出圧を供給するウインチ回路と、
   ウインチロープの張力を検出する張力検出手段と、
   ウインチ回路上の異常判定に関する所定の物理量を検出する物理量検出手段と、
   前記張力検出手段により検出されたロープ張力に基づき、前記所定の物理量を算出する物理量算出手段と、
   前記物理量検出手段により検出された物理量と前記物理量算出手段により算出された物理量とを比較して、ウインチ回路上の異常を判定する異常判定手段とを備えることを特徴とするウインチ回路の異常検出装置。
2. 請求項１に記載のウインチ回路の異常検出装置において、
   ブームに作用する負荷を制限する過負荷防止装置をさらに備え、
   前記張力検出手段は、前記過負荷防止装置からの信号に基づきロープ張力を検出することを特徴とするウインチ回路の異常検出装置。
3. 請求項１または２に記載のウインチ回路の異常検出装置において、
   前記油圧モータは、可変容量型油圧モータであり、
   前記所定の物理量は、この油圧モータのモータ容量、モータの有効圧力、およびモータ回転速度であることを特徴とするウインチ回路の異常検出装置。
4. 請求項３に記載のウインチ回路の異常検出装置において、
   前記判定手段は、検出されたモータ容量と算出されたモータ容量とを比較してモータ容量の異常を判定した後、検出されたモータの有効圧力と算出されたモータの有効圧力とを比較してモータ圧力の異常を判定し、さらにその後、検出されたモータ回転速度と算出されたモータ回転速度とを比較してモータ回転速度の異常を判定することを特徴とするウインチ回路の異常検出装置。
5. ウインチ回路上の異常判定に関する所定の物理量を検出する工程と、
   ウインチロープの張力の検出値に基づき、前記所定の物理量を算出する工程と、
   前記検出された物理量と前記算出された物理量とを比較して、ウインチ回路上の異常を判定する工程とを備えることを特徴とするウインチ回路の異常検出方法。
   

Images