JP2009197436A - Load bearing machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はパワーショベル、ブルドーザ、各種トラック等の荷重負荷機械に係り、特に、作業中に機体バランスの崩れが発生して転倒の危険のある荷重負荷機械に関する。 The present invention relates to a load-loading machine such as a power shovel, a bulldozer, and various trucks, and more particularly to a load-loading machine in which the balance of the machine body is lost during work and there is a risk of falling.
荷重負荷機械での作業中に機体バランスを崩して転倒するのを防止するために、例えば特許文献1に示す油圧ショベルのように、転倒支点に対して作用する転倒モーメントを算出して転倒事故を防止する技術が既に提案されている。即ち、パワーショベルの吊作業時における転倒事故防止のために、ブーム角、アーム角、バケット角、ブームシリンダ油圧から転倒モーメントを算出して吊荷重を決めている。
In order to prevent the machine body from falling out of balance while working on a load-bearing machine, for example, as in the hydraulic excavator shown in
上記特許文献1による技術は、吊荷重をブーム角、アーム角、バケット角、ブームシリンダ油圧から転倒モーメントを算出して決めているので、多数のリンク機構が介在して間接的に吊荷重を決めなければならず、吊荷重の算出精度が低くなり、また、転倒モーメントを算出するために、吊荷重(負荷荷重)を考慮した上で、ブーム角、アーム角、バケット角を検出して複雑な演算を行わねばならず、転倒モーメントの算出精度を低下させることになる。
In the technique disclosed in
このほか、パワーショベルの吊作業は複雑で、ショベルでの掘削作業では、ブーム角、アーム角、バケット角、バケットの負荷荷重が常に変化しており、このために、転倒モーメントの算出に即応性に欠ける問題がある。 In addition, suspension work of power shovels is complicated, and in excavation work with excavators, the boom angle, arm angle, bucket angle, and bucket load load are constantly changing, which makes it quick to calculate the tipping moment. There is a problem that lacks.
本発明の目的は、機体バランスを高精度に算出して即応性の高い転倒回避を行うことができる荷重負荷機械を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a load-loading machine capable of calculating a fuselage balance with high accuracy and performing a quick turnover avoidance.
本発明は上記目的を達成するために、地面に接地する地面接地部と、この地面接地部に連結された荷重負荷部とを備えた荷重負荷機械において、前記地面接地部と荷重負荷部の連結部に複数の力学量検知センサを設けると共に、これら力学量検知センサからの検出信号に基づいて機体バランスを演算して転倒の危険性を判断する演算装置と、この演算装置からの指令により転倒回避指令を出力する転倒回避指令出力手段を設けたのである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a load-loading machine including a ground contact portion that contacts the ground and a load load portion connected to the ground contact portion, wherein the ground contact portion and the load load portion are connected. Provided with a plurality of mechanical quantity detection sensors in the part, an arithmetic unit that calculates the balance of the aircraft based on detection signals from these mechanical quantity detection sensors and determines the risk of falling, and avoids falling by commands from this arithmetic unit A fall avoidance command output means for outputting a command is provided.
以上のように、地面接地部と荷重負荷部の連結部に複数の力学量検知センサを設けることで、各力学量検知センサからの検出信号を比較するだけで作業中の機体バランスをリアルタイムで得ることができ、また、その結果を転倒回避指令出力手段で出力するので、オペレータは荷重負荷機械の転倒回避を即行うことができる。 As described above, by providing a plurality of mechanical quantity detection sensors at the connecting part between the ground contact part and the load loading part, the balance of the machine body in operation can be obtained in real time simply by comparing the detection signals from the respective mechanical quantity detection sensors. In addition, since the result is output by the overturn avoidance command output means, the operator can immediately avoid overturn of the load machine.
このように本発明によれば、機体バランスを高精度に算出して即応性の高い転倒回避を行うことができる荷重負荷機械を得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a load-loading machine that can calculate the body balance with high accuracy and can avoid overturning with high responsiveness.
以下、本発明による荷重負荷機械の一実施の形態を、図1〜図6に示すパワーショベル1について説明する。
Hereinafter, an embodiment of a load machine according to the present invention will be described with respect to a
パワーショベル1は、大きく分けると、地面に接地して走行する地面接地部2と、この地面接地部2に連結された荷重負荷部3とより構成されている。
The
地面接地部2は、地面に接地するキャタピラ2Aやこのキャタピラ2Aを駆動する駆動輪や従動輪(図示せず)及びこれらを支持する構造物などで構成されている。
The
一方、荷重負荷部3は、連結部を構成する旋回フレーム4と、この旋回フレーム4に固定された運転台3Aや釣合い重り3B及びブーム5と、このブーム5の先端部に軸支されたアーム6と、このアーム6の先端部に軸支されたバケット7とを備え、図示は省略するが、これらアーム6,バケット7を軸支部を中心として回動させる油圧機構が設けられている。
On the other hand, the
前記地面接地部2と荷重負荷部3とは、前記地面接地部2の構造物に平面的に設けた旋回手段である旋回輪8で連結部を構成し、この連結部と前記旋回フレーム4による連結部とをボルト締結することで連結している。ボルト締結は、旋回輪8の回転中心と同心円状となる外周部近傍位置で、複数の連結ボルト9を旋回輪8の旋回周方向に等間隔となるように、旋回フレーム4と旋回輪8とに貫通させ、その貫通端にナット10をねじ込んで締結している。
The
以上の構成は、通常のパワーショベルの構成であるが、本実施の形態では、前記旋回フレーム4と旋回輪8とを連結する締結ボルト9のうち、4本の締結ボルトを、図3に示す力学量検知センサを構成する歪検出ボルト11としたのである。そして、4本の歪検出ボルト11のうち、2本の歪検出ボルト11A,11Bを、図2に示すように、平面的に前記ブーム5の延在方向と一致する方向aで旋回輪8の回転中心に対して対称となるように配置し、残る2本の歪検出ボルト11C,11Dを前記2本の歪検出ボルト11A,11Bに対して平面的に直交する方向bで旋回輪8の回転中心に対して対称となるように配置したのである。
The above configuration is a configuration of a normal power shovel. In the present embodiment, four fastening bolts among the
これら歪検出ボルト11(11A〜11D)は、ボルト頭部からボルト先端部に向って形成した収納穴11Hに歪センサ12を収納し、その周りに樹脂などの充填材13を充填して埋設している。この歪センサ12によって、ナット10での締結後のボルトに作用する伸縮力Fcに伴って発生する歪が検出される。したがって、歪センサ12を内蔵した歪検出ボルト11A,11Bが本発明の第1の2つの力学量検知センサとなり、歪センサ12を内蔵した歪検出ボルト11C,11Dが本発明の第2の2つの力学量検知センサとなる。
These strain detection bolts 11 (11A to 11D) store a
そして、4つの歪検出ボルト11A〜11Dからの歪検出信号を受信する受信装置14と、受信装置14で受信した歪検出信号を演算して地面接地部2の転倒の可能性の大小である機体バランスを求める演算装置15と、演算装置15で転倒の危険性が大であると判断されたときに転倒回避指令を出力する転倒回避指令出力手段16とを前記運転台3Aに搭載している。前記転倒回避指令出力手段16は、演算装置15での演算結果による機体バランス状態を表示する機体バランス表示装置17と、演算装置15で転倒の危険性が大であると判断されたとき、それをオペレータに報知する警告発生装置18と、この警告発生装置18からの警告を無視してオペレータが作業を継続すると、パワーショベル1の動力を停止させたり逆動作を行わせたりする動作を駆動部に出力する制御装置19と、制御装置19が駆動部に信号を出力する前の所定時間のパワーショベル1の動作を記憶するメモリ部20を有している。
And the
次に、以上のように、前記旋回フレーム4と旋回輪8との連結部に、ブーム5の延在方向を基準として歪検出ボルト11(11A〜11D)を設置したパワーショベル1を運転したときの機体バランスの検出及びその後にとることができる動作について説明する。
Next, as described above, when the
図4は、パワーショベル1の機体バランスが釣合っている場合で、そのとき歪検出ボルト11A〜11Dには、図4(B)に示すように、下向きのほぼ同じ荷重F1,F2,F3,F4が負荷される。したがって、各歪検出ボルト11A〜11D内の歪センサ12からは同じ歪検出信号が出力される。そのため、各歪検出信号は受信装置14を経由して演算装置15に入力されて演算されるが、その演算結果は、各歪検出信号に機体バランスを崩すような差がなく、その結果を機体バランス表示装置17に表示する。
FIG. 4 shows a case where the balance of the
一方、図5(A)に示すように、例えば作業時にバケット7に下向きの荷重Wが作用すると、荷重負荷部3には、ブーム5側に傾斜させようとする力が作用するので、ブーム5側の歪検出ボルト11Aには圧縮側に作用する大きな下向きの荷重F1´が負荷され、歪検出ボルト11Aと対を成す歪検出ボルト11Bには引張側に作用する上向きの荷重F2´が負荷される。検出ボルト11Aと対を成す歪検出ボルト11Bと平面的に直交する対を成す歪検出ボルト11C,11Dには、左右のバランスが均衡している場合には、同じ圧縮側の荷重F3´,F4´が負荷される。歪センサ12は、負荷される荷重に対して直線的に変化するので、対を成す歪検出ボルト11A,11Bの歪センサ12からの歪検出信号を比較することで、ブーム5の延在方向に沿う前後の機体バランスを演算することができ、これらと平面的に直行する方向に対を成す歪検出ボルト11C,11Dの歪センサ12からの歪検出信号を比較演算することで、左右の機体バランスを演算することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 5 (A), for example, when a downward load W is applied to the bucket 7 during the operation, the
そして、演算装置15によって、前後の機体バランスが転倒に至る機体バランスでないと判断した場合には、警告発生装置18や制御装置19に作動指令を出力せずに、単に機体バランス表示装置17に現状の機体バランスを表示し続ける。
Then, when the
演算装置15で演算された機体バランスが、転倒の危険がある機体バランスに接近した場合には、機体バランス表示装置17に現状の機体バランスを表示すると共に、警告発生装置18に作業の継続中止を表示(画像表示や案内放送表示)して注意を促す。それでもオペレータが作業を継続すると、制御装置19に作業継続中止指令を出力して動力源の運転を停止させて作業を強制的に中止させる。尚、作業を強制的に中止させる代わりに、メモリ部20に転倒危険直前の動作と機体バランスを記憶させておき、転倒の危険がある場合には、制御装置19によって、作業を前の動作に戻す指令を出して転倒の危険を回避させることもできる。
When the aircraft balance calculated by the
このように本実施の形態によれば、パワーショベル1の地面接地部2の荷重負荷部3との連結部に2組の歪検出ボルト11A,11B及び11C,11Dを設け、これらに内蔵した歪センサ12の歪変化を検出して比較することによって、機体バランスをリアルタイムで知ることができる。したがって、パワーショベル1の掘削作業中にブーム5の角度、アーム6の角度、バケット7の角度、バケット7の負荷荷重が常に変化し、その動作が複雑な場合にも、その作業中における機体バランスを直ちに知ることができる。
As described above, according to the present embodiment, two sets of
ところで、歪センサ12としては、例えば金属線式の抵抗からなる歪ゲージやシリコン単結晶のピエゾ抵抗効果を利用した半導体歪センサを用いることができる。ただ、機体バランスを瞬時に報知して転倒事故などを防止するためには、検出感度の優れた図7に示す半導体歪センサ12Sを用いることが望ましい。半導体歪センサ12Sは、シリコン基板表面に4本の拡散抵抗12a〜12dを形成し、これらでブリッジ回路を形成している。そして4本の拡散抵抗12a〜12dはP型拡散抵抗であり、これらの長手方向がシリコン単結晶の<110>方向と平行になる4本を、2本づつ直交するように配置してブリッジ回路を構成している。図7中、矢印Lbは歪検出ボルト11A,11B及び11C,11Dの長手方向で、矢印Msは歪検出方向である。尚、半導体歪センサ12Sの詳細については、本願出願人が先に出願した特願2005-78376号(と句会2006-258674号公報)を参照されたい。
By the way, as the
このような検出感度の高い半導体歪センサ12Sを用いることで、機体バランスに伴う歪検出ボルト11A,11B及び11C,11Dに負荷される歪変化は感度よく測定することができ、また、ブリッジ回路構成により局部的な温度変化による測定誤差を抑制することができ、半導体歪センサ12Sが動力源であるモータなどのノイズ源近傍に設置されても、ノイズの混入を抑制して高精度の歪測定を行うことができる。
By using the semiconductor strain sensor 12S having such a high detection sensitivity, the strain change applied to the
ところで、半導体歪センサ12Sの拡散抵抗12a〜12dでブリッジ回路を形成することで、シリコン基板面外方向の歪に対する感度はゼロとなるので、歪検出ボルト11A,11B及び11C,11Dの長手方向Lbの歪を検出することが容易となり、測定誤差が小さい高精度の測定ができる。
By the way, since the bridge circuit is formed by the
さらに、シリコン基板表面に、図7に示すように、例えば、PN接合の温度センサ21を設けることで、温度が変化する環境下で作業する場合、温度変化による歪測定変動分を温度センサ21での測定温度を考慮して補正することで、より正確な歪の測定を行うことができる。
Furthermore, as shown in FIG. 7, for example, by providing a
このほか、図7のシリコン基板表面に、ブリッジ回路の出力を増幅するための増幅器22を設けても良い。増幅器22を拡散抵抗12a〜12dが形成された半導体歪センサ12Sに設けることで、拡散抵抗12a〜12dからの出力を増幅できるので耐ノイズ性が向上し、増幅器22を備えた半導体歪センサ12Sをユニット化することができる。
In addition, an
以上説明したように本実施の形態は、力学量検知センサとしてパワーショベル1の旋回輪8と旋回フレー部4とを接続する締結ボルト9の一部に歪センサ12を内蔵した歪検出ボルト11(11A〜11D)を用いた。このように構成することで、力学量検知センサを設置するためにパワーショベル1の構成を敢えて改造する必要がない利点がある。しかしながら、歪センサ12を内蔵した歪検出ボルト11を用いる代わりに、その他の力学量検知センサ、例えば、シート状の圧力センサを旋回フレーム4と荷重負荷部3の運転台3Aとの連結部で、前記歪検出ボルト11A〜11Dの設置位置に対応した位置に設け、圧力センサに作用する圧力変化を検出比較して機体バランスを検知するようにしてもよい。
As described above, in the present embodiment, the strain detection bolt 11 (in which the
さらに、本実施の形態では、歪検出ボルト11A〜11Dを4箇所に接置したものであるが、締結ボルト9の全てを歪検出ボルト11にして木目細かなあらゆる方向の機体バランスを検知するようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, the
図8は、図2に示す旋回フレーム4の変形例を示すもので、図2の符号と同符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
FIG. 8 shows a modified example of the revolving
図8に示す変形例において、旋回フレーム4は、四角形状の外側フレーム4Sと、中心部に位置する中心フレーム4Rと、これら外側フレーム4Sと中心フレーム4Rを連結し強度部材となる4つの連結フレーム4A〜4Dから構成されている。そして、これら連結フレーム4A〜4Dは、前記歪検出ボルト11A〜11Dの設置位置に対応した位置で外側フレーム4Sと中心フレーム4Rとを連結するようにしている。
In the modification shown in FIG. 8, the revolving
このような旋回フレーム4の構成とすることで、歪検出ボルト11A〜11Dの設置位置に対応した位置で中心フレーム4Rを連結フレーム4A〜4Dによって外側フレーム4Sに強固に支持することができる。その結果、荷重負荷によるパワーショベルに作用する傾斜力によって旋回輪8と連結される中心フレーム4Rが容易に変位して歪の測定が正確にできなくなると云う不都合を回避することができる。云い代えれば、荷重負荷によるパワーショベルに作用する傾斜力が中心フレーム4Rに作用しても、中心フレーム4Rは連結フレーム4A〜4Dを介して荷重負荷部3の運転台3Aや釣合い重り3Bと一体の外側フレーム4Sに強固に連結されているので、中心フレーム4Rは容易に変位することはなく安定した支持が行える。そのため、傾斜力は歪検出ボルト11A〜11Dに集中して作用するので、正確に歪を検出することができる。
With such a configuration of the
図9は、図8に示す旋回フレーム4と旋回輪8を連結する歪検出ボルト11の設置位置の変形例を示すもので、図8の符号と同符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
図8では歪検出ボルト11A〜11Dを4箇所に接置しているが、図9では歪検出ボルト11A〜11Dのすぐ隣に歪検出ボルト11E〜11Hを設置している。図のように、旋回フレーム4のブーム5の延在方向に設けられた連結フレーム4A,4Bと、前記ブーム5の延在方向に対して平面的に直交する方向に設けられた連結フレーム4C,4Dに対向した位置に集中して複数個の歪検出ボルト11A,11E、11B,11F及び11C,11G、11D,11Hを配置することにより、機体の傾斜に伴いボルトに負荷される荷重を、効率よく歪検出ボルト11A〜11Hに伝達することが可能であるだけでなく、万が一、対を成す歪検出ボルトのうち一方に不具合が生じた場合でも、他方の歪検出ボルトが正常に動作していれば,正確な機体バランスを検知することができる。また、対を成す歪検出ボルトの出力差が、ある規定値を超えたら歪検出ボルトの不具合とするなど、歪検出ボルトの異常を検知できるという効果が得られる。
FIG. 9 shows a modification of the installation position of the
In FIG. 8, the
図10は、本発明による第2の実施の形態を示すもので、第1の実施の形態による構成に加えて、荷重負荷部3の旋回フレーム4に傾斜センサ23を設けたのである。
FIG. 10 shows a second embodiment according to the present invention. In addition to the configuration according to the first embodiment, an
このように構成することで、傾斜地で掘削作業を行ってバケット7に下向きの荷重が負荷された場合には、その負荷荷重が平地においてはパワーショベル1を転倒させるに足りない荷重であっても、傾斜地においては機体バランスが大きく崩れて転倒する危険があるので、これを回避させることができる。
With this configuration, when a downward load is applied to the bucket 7 when excavation work is performed on an inclined land, even if the load is a load that is insufficient to cause the
即ち、図11に示すように、歪検出ボルト11A〜11Dによる歪を測定して演算装置15によって機体バランスを算出する際に、傾斜センサ23によって検出された傾斜方向と傾斜角を加味して機体バランスを補正し、転倒モーメントを算出し、第1に実施の形態と同じように、機体バランスの表示、作業継続中止の表示(画像表示や案内放送表示)を行うと共に、強制的な運転停止さらには作業を前の動作に戻す指令を出して転倒の危険を回避させるのである。
That is, as shown in FIG. 11, when measuring the strain due to the
尚、第2に実施の形態において、傾斜センサ23を旋回フレーム4に設けた例を説明したが、荷重負荷部3では旋回フレーム4と一体的なものであれば何処でもよく、また、地面接地部2側に設けてもよい。
In the second embodiment, the example in which the
ところで、以上の説明は、荷重負荷機械として旋回輪8と旋回フレーム4とを有するパワーショベルを一例に説明したが、旋回輪8と旋回フレーム4は存在しないが、傾斜地での作業中に機体バランスの崩れが発生して転倒の危険のあるブルドーザ、各種トラック等の荷重負荷機械にも本発明を適用できることは云うまでもない。例えば、ブルドーザ、各種トラック等は、地面に接地して走行する地面接地部2が車輪となり、荷重負荷部3が車輪の車軸に支持された部分となり、地面接地部2と荷重負荷部3との連結部が軸受部となる。
By the way, although the above explanation demonstrated the power shovel which has the
具体的には、ブルドーザの場合、キャタピラ2Aを駆動する前後左右の駆動輪や遊動輪の車軸に軸受を介して運転席を含む荷重負荷部が支持されているので、その軸受の夫々に歪センサなどの力学量検知センサを設けることで、傾斜地における整地作業時に軸受に作用する荷重のアンバランスを検出して機体バランスを算出して転倒に危険を報知することができる。
Specifically, in the case of a bulldozer, load bearing portions including a driver's seat are supported via bearings on the front and rear drive wheels and idler wheel axles that drive the
また、トラックの場合も前後左右の走行車輪の車軸に軸受を介して車体枠があり、この車体枠に運転席や荷台を支持させて荷重負荷部を構成している。そして軸受と車体枠との間に力学量検知センサを設けたのである。したがって、荷台に均一に荷物が搭載されない限り機体バランスは崩れ、傾斜地走行時には軸受に作用する荷重にさらに偏差が生じるので、機体バランスはさらに崩れる。また、荷台が傾斜するトラックの場合、荷台の傾斜によって軸受に作用する荷重に偏差が生じるので、機体バランスが崩れる。したがって、軸受と車体枠との連結部に設けた力学量検知センサにより機体バランスを算出して転倒の危険を報知することができる。 Also, in the case of a truck, a vehicle body frame is provided on the axles of the front, rear, left and right traveling wheels via bearings, and a load seat is configured by supporting a driver's seat and a cargo bed on the vehicle body frame. A mechanical quantity detection sensor is provided between the bearing and the vehicle body frame. Therefore, unless the load is evenly loaded on the loading platform, the balance of the fuselage is lost, and further deviation occurs in the load acting on the bearing when traveling on an inclined ground, so that the balance of the fuselage is further lost. In addition, in the case of a truck in which the loading platform is inclined, a deviation occurs in the load acting on the bearing due to the inclination of the loading platform, so that the balance of the airframe is lost. Therefore, the body balance can be calculated by the mechanical quantity detection sensor provided at the connection portion between the bearing and the vehicle body frame to notify the danger of falling.
1…パワーショベル、2…地面接地部、3…荷重負荷部、4…旋回フレーム、5…ブーム、6…アーム、7…バケット、8…旋回輪、9…締結ボルト、10…ナット、11,11A〜11H…歪検出ボルト、12…歪センサ、13…充填材、14…受信装置、15…演算装置、16…転倒回避指令出力手段、17…機体バランス表示装置、18…警告発生装置、19…制御装置、20…メモリ部、21…温度センサ、22…増幅器、23…傾斜センサ。
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