JP2015190114A - ショベル支援装置及びショベル - Google Patents

Abstract

【課題】 メンテナンス時期を遅らせるための支援を行うショベル支援装置を提供する。【解決手段】 ショベル支援装置が、表示画面と送受信回路と、処理装置とを有する。表示画面に画像が表示される。送受信回路は通信機能を有する。処理装置は、送受信回路を通して受信された情報に基づいて、表示画面に画像を表示する。さらに、処理装置は、複数のショベルの各々の部品に蓄積された累積損傷度に基づく評価結果を、ショベルの各々の部品の損傷に影響を及ぼす外部要因と関連付けて、ショベルごとに、表示画面に表示する。【選択図】 図５

Description

本発明は、複数のショベルの作業現場への配置計画の立案に有益な情報を提供するショベル支援装置、及びショベル支援装置の対象となるショベルに関する。

油圧ショベル、ハイブリッドショベル、電動ショベル等のショベルにおいて、ショベルから収集される種々の稼働情報に基づいて、部品交換や点検修理の時期が決められる。下記の特許文献１に開示された発明においては、ショベルの稼働時間のみならず、ショベルの部品毎の稼働時間が計測される。部品毎の稼働時間に基づいて、部品毎の修理交換時期が求められる。これにより、部品の適切な修理交換時期を決めることができる。

下記の特許文献２に開示された発明においては、部品の摩耗状態及び部品の累積負荷量に基づいて、メンテナンス時期が決定される。これにより、適切なメンテナンス時期を決定することができる。

特許第４６８９１３４号公報 特許第４７１７５７９号公報

ショベルの稼働時間が同一であっても、部品に蓄積される損傷度は、作業内容や作業環境等の外部要因によって異なる。稼働時間のみで部品の修理交換時期を決定すると、修理交換時期が早すぎたり、遅すぎたりする場合が生じる。

部品の摩耗状況や累積負荷量に基づいて、メンテナンス時期を決定する方法では、稼働時間のみに基づく場合に比べて、より適切なメンテナンス時期を決定することができる。できるだけメンテナンス時期を遅らせ、ショベルを有効に使用したいという要望がある。

本発明の目的は、メンテナンス時期を遅らせるための支援を行うショベル支援装置を提供することである。本発明の他の目的は、このショベル支援装置の支援対象となるショベルを提供することである。

本発明の一観点によると、
画像を表示する表示画面と、
通信機能を有する送受信回路と、
前記送受信回路を通して受信された情報に基づいて、前記表示画面に画像を表示する処理装置と
を有し、
前記処理装置は、複数のショベルの各々の部品に蓄積された累積損傷度に基づく評価結果を、前記ショベルの各々の前記部品の損傷に影響を及ぼす外部要因と関連付けて、前記ショベルごとに、前記表示画面に表示するショベル支援装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
下部走行体と、
前記下部走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられたブーム及びアームを含むアタッチメントと、
前記アタッチメントの姿勢及び駆動力を測定する第１のセンサと、
通信機能を有する通信装置と、
位置情報を取得する第２のセンサと、
前記第１のセンサで取得された測定値に基づいて、作業対象の地盤の硬さを算出し、算出された前記地盤の硬さと、前記第２のセンサで取得された前記位置情報とを、前記通信装置を経由して送信する車両コントローラと
を含むショベルが提供される。

累積損傷度を、損傷度に影響を与える外部要因と関連付けて表示することにより、ショベルの適切な作業計画を立てることができる。これにより、メンテナンス時期を遅らせることも可能になる。

図１は、実施例によるショベル支援装置を含むシステム構成図である。 図２は、実施例によるショベルの側面図である。 図３は、実施例によるショベルのブロック図である。 図４は、ショベル、ショベル支援装置、及び管理装置の間で行われる通信シーケンスを示す図である。 図５は、ショベル支援装置の表示画面に表示された画像の一例を示す図である。 図６は、ショベル支援装置の表示画面に表示された画像の他の例を示す図である。 図７は、ショベル支援装置の表示画面に表示された画像のさらに他の例を示す図である。 図８は、管理装置で実行される処理のフローチャートである。 図９Ａ〜図９Ｄは、ショベルで繰り返される一連の動作の一例を示す図である。 図１０Ａ〜図１０Ｃは、それぞれショベルの動作中におけるブームシリンダ内の油圧、アームの先端の高さ、及び旋回角度の時間波形（時間変化）の一例を示すグラフである。 図１１は、ある解析時刻においてブームに加わる応力の分布の算出結果を示す図である。 図１２は、ショベルの部品の１つの評価点Ｅｐ（図１１）に加わる応力の時間波形の一例を示すグラフである。 図１３は、Ｓ−Ｎ線図の一例を示すグラフである。 図１４は、他の実施例によるショベル支援装置と、ショベル及び管理装置との間で行われる通信シーケンスを示す図である。 図１５は、さらに他の実施例によるショベル支援装置とショベルとの間で行われる通信シーケンスを示す図である。 図１６は、支援対象となる油圧ショベルのブロック図である。

図１に、実施例によるショベル支援装置を含むシステム構成図を示す。このシステムは、管理対象の複数のショベル２０、ショベル支援装置３０、及び管理装置６０を含む。ショベル２０、ショベル支援装置３０、及び管理装置６０が、通信回線７０を介して相互に通信を行う。

ショベル２０に、車両コントローラ２１、通信装置２２、ＧＰＳ（全地球測位システム）受信機２３、表示装置２４、近距離無線通信装置２５、及び複数のセンサ群２６が搭載されている。センサ群２６は、ショベル２０の種々の稼働情報を検出する。センサ群２６の検出値が車両コントローラ２１に入力される。稼働情報には、例えば、油圧ポンプ圧力、冷却水温度、油圧負荷、アタッチメントの姿勢、油圧シリンダ伸縮長、旋回角、運転時間、稼働時間等が含まれる。

車両コントローラ２１は、ショベル２０の機体識別情報、種々の稼働情報の検出値、及びＧＰＳ受信機２３で算出された現在位置情報を、通信装置２２から、通信回線７０を介して管理装置６０に送信する。ＧＰＳ受信機２３は、ショベル２０の現在位置を検出する位置センサとしての役割を有する。さらに、車両コントローラ２１は、ショベル２０に関する種々の情報を表示装置２４に表示する。近距離無線通信装置２５は、通信回線７０を介することなく、直接、ショベル支援装置３０と通信する。

ショベル支援装置３０は、表示画面３１、入力装置３２、処理装置３３、送受信回路３４、近距離無線通信回路３５、及び記憶装置３６を含む。送受信回路３４は、通信回線７０を介して管理装置６０と通信する機能を有する。近距離無線通信回路３５は、直接、近隣のショベル２０と通信する。記憶装置３６に、処理装置３３が実行するプログラム、及びショベルに関する種々の情報が記憶されている。処理装置３３は、管理装置６０から通信回線７０を経由し、送受信回路３４を通して受信したデータに基づいて、データ処理を行い、処理結果を表示画面３１に表示する。ショベル支援装置３０の利用者（以下、単に「利用者」という。）が、入力装置３２から処理装置３３にコマンドを入力する。ショベル支援装置３０には、例えばタブレット端末、携帯電話端末等が用いられる。表示画面３１及び入力装置３２には、例えばタッチパネルが使用される。タッチパネルは、表示画面３１と入力装置３２とを兼ねる。

管理装置６０は、入力装置６１、出力装置６２、記憶装置６３、処理装置６４、及び通信装置６５を含む。ショベル２０から通信回線７０を経由して送信された種々の情報が、通信装置６５を介して処理装置６４に入力される。記憶装置６３に、処理装置６４が実行するプログラム、種々の管理情報が記憶されている。処理装置６４は、ショベル２０から受信した機体識別情報、種々の稼働情報、現在位置情報、及び記憶装置６３に記憶されている管理情報に基づいて、ショベル２０の支援情報を生成する。生成された支援情報は、出力装置６２に出力される。さらに、処理装置６４は、機体識別情報、現在位置情報、及び支援情報を、通信装置６５から通信回線７０を経由して、ショベル支援装置３０に送信する。

図２に、ショベル２０の側面図を示す。下部走行体８０に、旋回軸受８１を介して上部旋回体８２が旋回可能に搭載されている。旋回モータ８３が、上部旋回体８２を下部走行体８０に対して、時計回り、または反時計周りに旋回させる。旋回モータ８３に取り付けられた旋回角センサ８４が、上部旋回体８２の旋回角を測定する。上部旋回体８２に、ブーム８５、アーム８６、バケット８７を含むアタッチメントが取り付けられている。ブーム８５、アーム８６、及びバケット８７は、それぞれブームシリンダ８８、アームシリンダ８９、及びバケットシリンダ９０により油圧駆動される。さらに、上部旋回体８２に車両コントローラ２１が搭載されている。

ブームシリンダ８８、アームシリンダ８９、及びバケットシリンダ９０に、それぞれ油圧シリンダの伸縮量を測定する変位センサ９１が取り付けられている。変位センサ９１で測定された伸縮量に基づいてアタッチメントの姿勢を求めることができる。本明細書において、３つの変位センサ９１をまとめて、姿勢センサ９１という場合がある。姿勢センサ９１は、図１に示したセンサ群２６に含まれる。姿勢センサ９１の測定結果が、車両コン
トローラ２１に入力される。姿勢センサ９１として、上部旋回体８２とブーム８５とのなす角度、ブーム８５とアーム８６とのなす角度、及びアーム８６とバケット８７とのなす角度を測定する角度センサを用いてもよい。

さらに、ブームシリンダ８８、アームシリンダ８９、及びバケットシリンダ９０に、それぞれ圧力センサ９２が取り付けられている。圧力センサ９２は、ブームシリンダ８８、アームシリンダ８９、及びバケットシリンダ９０のボトム側の圧力及びロッド側の圧力を測定する。圧力センサ９２により、ブームシリンダ８８、アームシリンダ８９、及びバケットシリンダ９０に加わる荷重（アタッチメントに加わる荷重）を求めることができる。圧力センサ９２の測定結果、及びアタッチメントの姿勢に基づいて、バケット８７に加わる荷重を求めることができる。本明細書において、圧力センサ９２を荷重センサ９２という場合がある。荷重センサ９２は、センサ群２６（図１）に含まれる。荷重センサ９２の測定結果が車両コントローラ２１に入力される。

図３に、ショベル２０（図１、図２）のブロック図を示す。図３において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気制御系を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。

エンジン１１０の駆動軸がトルク伝達機構１２１の入力軸に連結されている。エンジン１１０には、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。電動発電機１１１の駆動軸が、トルク伝達機構１２１の他の入力軸に連結されている。電動発電機１１１は、電動（アシスト）運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。トルク伝達機構１２１は、２つの入力軸と１つの出力軸とを有する。この出力軸に、メインポンプ１２２の駆動軸が連結されている。

メインポンプ１２２に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機１１１がアシスト運転を行い、電動発電機１１１の駆動力がトルク伝達機構１２１を介してメインポンプ１２２に伝達される。これにより、エンジン１１０に加わる負荷が軽減される。一方、メインポンプ１２２に加わる負荷が小さい場合には、エンジン１１０の駆動力がトルク伝達機構１２１を介して電動発電機１１１に伝達されることにより、電動発電機１１１が発電運転される。

メインポンプ１２２は、高圧油圧ライン１２３を介して、コントロールバルブ１２４に油圧を供給する。コントロールバルブ１２４は、運転者からの指令により、油圧モータ１０９Ａ、１０９Ｂ、ブームシリンダ８８、アームシリンダ８９、及びバケットシリンダ９０に油圧を分配する。油圧モータ１０９Ａ及び１０９Ｂは、それぞれ下部走行体８０（図２）に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。

ブームシリンダ８８、アームシリンダ８９、及びバケットシリンダ９０の各々に、姿勢センサ９１及び荷重センサ９２が取り付けられている。

電動発電機１１１がインバータ１１３Ａを介して蓄電回路１１２に接続されている。旋回モータ８３がインバータ１１３Ｂを介して蓄電回路１１２に接続されている。インバータ１１３Ａ、１１３Ｂ、及び蓄電回路１１２は、車両コントローラ２１により制御される。

インバータ１１３Ａは、車両コントローラ２１からの指令に基づき、電動発電機１１１の運転制御を行う。電動発電機１１１のアシスト運転と発電運転との切り替えが、インバータ１１３Ａにより行われる。

電動発電機１１１がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、蓄電回路１１２からインバータ１１３Ａを通して電動発電機１１１に供給される。電動発電機１１１が発電運転されている期間は、電動発電機１１１によって発電された電力が、インバータ１１３Ａを通して蓄電回路１１２に供給される。これにより、蓄電回路１１２内の蓄電装置が充電される。

旋回モータ８３は、インバータ１１３Ｂによって交流駆動され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回モータ８３の力行動作中は、蓄電回路１１２からインバータ１１３Ｂを介して旋回モータ８３に電力が供給される。旋回モータ８３が、減速機１３１を介して、上部旋回体８２（図２）を旋回させる。回生動作時には、上部旋回体８２の回転運動が、減速機１３１を介して旋回モータ８３に伝達されることにより、旋回モータ８３が回生電力を発生する。発生した回生電力は、インバータ１１３Ｂを介して蓄電回路１１２に供給される。これにより、蓄電回路１１２内の蓄電装置が充電される。

旋回角センサ８４が、旋回モータ８３の回転軸の回転方向の位置を検出する。旋回角センサ８４には、例えばレゾルバが用いられる。旋回角センサ８４の検出結果が、車両コントローラ２１に入力される。旋回モータ８３の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。旋回角センサ８４は、センサ群２６（図１）に含まれる。

メカニカルブレーキ１３３が、旋回モータ８３の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ１３３の制動状態と解除状態とは、車両コントローラ２１からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。

パイロットポンプ１２５が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン１２６を介して操作装置１２８に供給される。操作装置１２８は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置１２８は、パイロットライン１２６から供給される１次側の油圧を、運転者の操作に応じて、２次側の油圧に変換する。２次側の油圧は、油圧ライン１２９を介してコントロールバルブ１２４に伝達されると共に、他の油圧ライン１３０を介して圧力センサ１２７に伝達される。

圧力センサ１２７で検出された圧力の検出結果が、車両コントローラ２１に入力される。これにより、車両コントローラ２１は、下部走行体８０、旋回モータ８３、ブーム８５、アーム８６、及びバケット８７（図２）に対する操作の状況を検知することができる。

図４に、ショベル２０、ショベル支援装置３０、及び管理装置６０の間で行われる通信のシーケンスを示す。ショベル２０から管理装置６０に稼働情報が送信される。稼働情報には、姿勢センサ９１（図２）、荷重センサ９２（図２）、及び旋回角センサ８４（図３）の測定結果、ＧＰＳ受信機２３で取得された現在位置情報、機体識別番号、作業年月日、作業内容等が含まれる。

管理装置６０は、ショベル２０から収集された稼働情報に基づいて、ショベル２０の各部品に蓄積されている累積損傷度、及び各部品の余寿命を評価する。この評価には、現時点までに記憶装置６３に蓄積されている稼働情報、または累積損傷度等が利用される。部品に蓄積されている累積損傷度及び部品の余寿命の評価方法については、後に、図８〜図１３を参照して説明する。累積損傷度及び余寿命の評価結果は、記憶装置６３に格納される。

ショベル２０が掘削作業を行っている場合には、管理装置６０は、稼働情報に基づいて、ショベル２０の作業対象である地盤の硬さ情報を求める。アタッチメントの姿勢、及び
荷重センサ９２による検出結果と、地盤の硬さ情報との対応関係が、予め記憶装置６３に記憶されている。ショベル２０から収集された稼働情報と、記憶装置６３に記憶されている対応関係とから、地盤の硬さ情報を求めることができる。地盤の硬さは、例えば、ランク１〜ランク４の４段階で表される。

地面の深堀掘削、法面の高所掘削等の作業内容の相違によって、稼働情報と地盤の硬さ情報との対応関係は異なる。したがって、この対応関係は、作業内容ごとに準備されている。

作業内容には、深堀掘削、高所掘削の他に、積込み、地面の均し、法面の均し、解体等が含まれる。ショベル２０から管理装置６０に送信される稼働情報に含まれる作業内容は、ショベル２０の運転者によって、ショベル２０の車両コントローラ２１に入力される。なお、管理装置６０が、アタッチメントの姿勢の時刻歴に基づいて、作業内容を推定することも可能である。管理装置６０が作業内容を推定する機能を持っている場合には、運転者は、作業内容を車両コントローラ２１に入力しなくてもよい。

ショベル２０の各部品が受ける損傷の程度、及び部品内における累積損傷度の分布は、作業対象の地盤の硬さや、作業内容によって異なる。地盤の硬さ、作業内容等は、ショベル２０の部品の損傷に影響を及ぼす外部要因となる。地盤の硬さ、作業内容等の外部要因は、記憶装置６３に格納される。

ショベル２０の部品の損傷に影響を及ぼす外部要因の一つである地盤の硬さは、ショベル２０に加わる動力負荷に影響を与える。例えば、掘削対象の地盤が硬くなるほど、ショベル２０に加わる動力負荷が大きくなる。地盤の硬さは、ショベル２０に加わる動力負荷に影響を与える負荷要因であるとともに、ショベル２０の部品の損傷に影響を及ぼす外部要因でもある。また、作業内容が異なると、ショベル２０に加わる動力負荷も異なる。従って、作業内容も、ショベル２０に加わる動力負荷に影響を与える負荷要因であるとともに、ショベル２０の部品の損傷に影響を及ぼす外部要因でもある。

ショベル支援装置３０から管理装置６０に、データ転送要求コマンドが送信される。管理装置６０は、データ転送要求コマンドを受信すると、部品に蓄積されている累積損傷度または余寿命の評価結果、及び損傷に影響を及ぼしている現時点の外部要因（または、負荷要因）を、ショベル支援装置３０に送信する。ショベル支援装置３０は、受信した評価結果及び外部要因（または、負荷要因）を表示画面３１に表示する。

図５に、ショベル支援装置３０の表示画面３１に表示された画像の一例を示す。ショベル２０の機体ごとに、ショベル２０の機体識別番号３８、累積損傷度３９、及び損傷度最大箇所４０が、外部要因である地盤の硬さ４１及び作業内容４３と関連付けて表示される。さらに、同一作業継続時間４２、及び累積稼働時間４４が、ショベル２０の機体ごとに表示される。同一作業継続時間４２は、同一の硬さの地盤に対して同一の作業内容の作業が継続して行われている時間を表す。

累積損傷度３９は、ショベル２０の部品に蓄積されている累積損傷度の最大値を表しており、例えば１０段階でグラフィカル表示される。機体識別番号３８、損傷度最大箇所４０、地盤の硬さ４１、同一作業継続時間４２、作業内容４３、及び累積稼働時間４４は、文字列で表示される。図５に示した例では、ショベル２０の１号機に蓄積されている累積損傷度が最大の箇所はブームトップボスである。１号機は高所掘削を行っており、掘削対象の地盤の硬さはランク４である。ランク４の硬さの地盤に対して高所掘削を継続している時間は５０００であり、累積稼働時間は７０００である。

ショベル支援装置３０に、さらに地盤の硬さの分布図４５が、図形として表示される。図５では、ランク４〜ランク１の位置が、それぞれ最も太い実線、２番目に太い実線、細い実線、破線で示されている。さらに、地盤の硬さの分布図４５内に、ショベル２０の現在位置が、アイコンで示されている。地盤の硬さの分布図４５は、ショベル２０の機体ごとの位置情報、及びショベル２０の各機体の作業対象である地盤の硬さに基づいて、作成される。現時点の情報のみならず、過去の情報を取り入れることにより、複数のショベル２０で過去に作業が行われた箇所の地盤の硬さも、地盤の硬さの分布図４５に含めて表示することができる。表示画面３１をピンチインまたはピンチアウトすることにより、分布図４５を縮小または拡大することができる。これにより、地盤の硬さの分布の詳細確認が可能である。

ショベル２０の管理者は、ショベル支援装置３０に表示された情報に基づいて、ショベル２０の適切な修理点検計画、及び再配置計画を立てることができる。例えば、累積損傷度の大きな機体の点検を優先的に行うといった修理点検計画を立てることが可能である。さらに、累積損傷度の大きな機体を、軟弱な地盤の場所に再配置し、累積損傷度の小さな機体を、強固な地盤の場所に再配置することが可能である。また、累積損傷度の大きな機体を、積込み作業の現場に再配置してもよい。このように、ショベル２０を再配置することにより、ショベル２０の修理が必要になるまでの期間を長くすることが可能になる。

図６に、ショベル支援装置３０に表示された画像の他の例を示す。図６に示した例では、図５に表示された累積損傷度３９に代えて、余寿命４８が表示されている。表示された余寿命４８は、ショベル２０の部品の余寿命のうち最も短い余寿命（余寿命の最短値）を表している。図５に表示された損傷度最大箇所４０に代えて、余寿命最短箇所４９が表示される。この例においても、機体ごとの余寿命に基づいて、ショベル２０の適切な修理点検計画や再配置計画を立てることが可能である。

図７に、ショベル支援装置３０に表示された画像のさらに他の例を示す。図５及び図６に示した例では、ショベル２０の損傷に影響を与える外部要因として、地盤の硬さに着目した。図７に示した例では、ショベル２０の損傷に影響を与える外部要因として、作業内容に着目する。

ショベル２０の機体ごとに、ショベル２０の機体識別番号３８、累積損傷度３９、及び損傷度最大箇所４０が、外部要因である作業内容４３と関連付けて表示される。さらに、作業地形４６、同一作業継続時間４７、及び累積稼働時間４４が、ショベル２０の機体ごとに表示される。作業内容４３が掘削または均しの場合には、作業地形４６として、法面または平地の区分が表示される。図７に示した例では、１号機の作業内容が「解体」であり、損傷度最大箇所がブームトップボスであることを示している。

作業地形４６に関する情報は、ショベル２０の運転者または保守要員によって、ショベル２０の車両コントローラ２１に入力される。なお、管理装置６０が、アタッチメントの姿勢の時刻歴、及びアタッチメントに加わる荷重に基づいて、作業内容を推定することも可能である。管理装置６０が作業内容を推定する機能を持っている場合には、運転者または保守要員は、車両コントローラ２１に作業地形に関する情報を入力しなくてもよい。

図５に示された表示された地盤の硬さの分布図４５に代えて、作業内容履歴５０が表示される。作業内容履歴５０は、ショベル２０の機体ごとに表示され、過去に行われた作業内容ごとの合計の作業時間が積み上げ棒グラフで示される。作業内容履歴５０を表示するために必要な情報、すなわちショベル２０の各々の作業内容ごとの合計の作業時間情報は、処理装置３３が送受信回路３４を通して、管理装置６０から受信する。

図７に示した例においても、ショベル管理者は、累積損傷度３９の大小に基づいて、ショベル２０の適切な修理点検計画、再配置計画を立てることができる。

次に、図８〜図１３を参照して、累積損傷度及び余寿命の求め方について説明する。

図８に、管理装置６０（図１）で実行される処理のフローチャートを示す。まず、ステップＳ１において、処理装置６４が、ショベル２０（図１）によって作業中に繰り返される一連の動作の少なくとも１周期分の測定値を、アタッチメントの姿勢センサ９１（図２）、アタッチメントの荷重センサ９２（図２）、及び旋回角センサ８４（図３）から取得する。これらの測定値と共に、作業種別、作業年月日、機体識別番号等の情報が取得される。

旋回角センサ８４（図２）から、上部旋回体８２（図２）の旋回角が取得される。アタッチメントの姿勢センサ９１及び旋回角センサ８４の検出値によって、ショベル２０の姿勢が特定される。ショベル２０の一連の動作のうち、アタッチメントの姿勢センサ９１、アタッチメントの荷重センサ９２、及び旋回角センサ８４で測定値を取得する時間の範囲は、管理装置６０の管理オペレータが設定してもよいし、ショベルの運転者または保守要員が設定してもよい。

図９Ａ〜図９Ｄに、ショベル２０で繰り返される一連の動作の一例を示す。図９Ａ〜図９Ｄは、それぞれ一連の動作の１周期内の各工程、具体的には掘削開始、持ち上げ旋回、排土、戻り旋回の各工程中の任意の時点におけるショベル２０の姿勢を概略的に示す。ショベル２０の運転時には、例えば、一連の動作が繰り返されることにより、図９Ａ〜図９Ｄに示した姿勢が順番に出現する。

図１０Ａ〜図１０Ｃに、それぞれショベル２０の動作中におけるブームシリンダ内の油圧、アームの先端の高さ、及び旋回角度の時間波形（時間変化）の一例を示す。図１０Ａに示した実線Ｌ１及びＬ２は、それぞれブームシリンダ内のロッド側の油圧及びボトム側の油圧を示す。図１０Ａ〜図１０Ｃにおいて、時刻ｔ１は、図９Ａに示した掘削開始に対応する。時刻ｔ１からｔ２までの期間に、掘削が行われる。時刻ｔ２からｔ３までの期間に、図９Ｂに示したブームの持ち上げ及び旋回の動作が行われる。時刻ｔ３からｔ４までの期間に、図９Ｃに示した排土及び戻り旋回の動作が行われる。一連の動作の繰返しに対応して、時刻ｔ１からｔ４までの波形と近似する波形が周期的に現れる。

ステップＳ２（図８）において、一連の動作の１周期内で、解析すべき複数の時刻（以下、「解析時刻」という。）を抽出する。一例として、図１０Ａに示したように、１周期内から、時刻ｔ１〜ｔ４の４個の解析時刻が抽出される。例えば、シリンダ内の油圧、旋回角度の時間波形のピーク、変曲点等の特徴的な時刻を、解析時刻として抽出する。抽出する解析時刻の個数を多くすると、解析精度が向上するが、解析に要する計算時間は長くなる。処理装置６４（図１）が、図１０Ａ〜図１０Ｃに示した時間波形に基づいて解析時刻を自動的に抽出するようにしてもよいし、オペレータが時間波形を観察して解析時刻を決定し、入力装置６１（図１）から解析時刻を入力するようにしてもよい。

ステップＳ３（図８）において、解析時刻の各々において、解析モデルを用い、ブーム、アーム等の部品の各々に加わっている応力の分布を算出する。応力の分布は、解析時刻ごとに決定されているショベルの特定の姿勢に基づいて計算される。すなわち、繰り返される一連の動作の１周期内に現れる種々のショベルの姿勢ごとに、ショベルの部品に加わっている荷重に基づいて、応力の分布を算出する。応力の分布の算出には、例えば有限要素法等の数値解析手法を適用することができる。このとき、ショベルの姿勢及びショベルの部品に加わる荷重が解析条件として用いられる。ここで、荷重はベクトルで表される。
荷重の大きさ及び向きは、油圧シリンダ内の油圧、油圧シリンダの軸方向（アタッチメントの姿勢）、及び旋回角加速度により求まる。旋回角加速度は、旋回角を２回微分することにより算出される。

図１１に、ある解析時刻においてブームに加わる応力の分布の算出結果を示す。応力は、解析モデルを構成する要素及び節点ごとに算出される。図１１において、応力が相対的に大きな箇所が、相対的に濃い色で示されている。図１１に示したような応力分布の解析結果が、解析時刻ごとに、かつ部品ごとに算出される。

図１２に、ショベルの部品の１つの評価点Ｅｐ（図１１）に加わる応力の時間波形の一例を示す。解析時刻ｔ１〜ｔ４の各々において応力が算出されている。図１２に示した応力の時間波形は、ブーム、アーム、バケット等の部品ごとに、複数の評価点（有限要素法を用いた場合には、複数の要素及び節点）について求められる。

ステップＳ４（図８）において、各部品の評価点ごとに、１周期の動作期間中に蓄積される損傷度（以下、「単周期損傷度」という。）を算出する。これにより、部品内における単周期損傷度の分布が得られる。単周期損傷度は、応力の時間変化から抽出される応力の極値に基づいて算出される。以下、単周期損傷度を算出する方法の一例について説明する。まず、図１２に示した応力の時間波形の極大値と極小値とを検出する。極大値と極小値とに基づいて、応力が変動する範囲である応力範囲Δσを求めるとともに、応力範囲Δσごとの出現頻度を求める。応力範囲Δσｉの出現頻度をｎｉで表す。

図１３に、Ｓ−Ｎ線図の一例を示す。例えば、図１３に示したＳ−Ｎ線図では、応力範囲Δσｉの疲労寿命（破断繰返し回数）がＮｉ回である。累積疲労損傷則（別名、線形被害則）により、単周期損傷度Ｄは、以下の式で表される。

例えば、部品の保証寿命をＴｇ（時間）とし、一連の動作の１周期あたりの平均時間をＴｐ（時間）とすると、保証される繰り返し回数は、Ｔｇ／Ｔｐで表される。単周期損傷度の想定値は、この逆数、すなわちＴｐ／Ｔｇで表される。単周期損傷度Ｄがこの想定値に一致する条件でショベル２０を使用している場合、部品の保証寿命Ｔｇを保証することができる。

ステップＳ５（図８）において、部品の累積損傷度及び余寿命の分布を算出する。以下、累積損傷度及び余寿命の算出方法について説明する。管理装置６０（図１）は、管理対象のショベル２０の機体ごと、及び部品ごとに、機体の稼働開始時点から現時点までの単周期損傷度の総和（累積損傷度）を算出する。今回のデータ収集の対象となる動作を開始するまでに蓄積された累積損傷度は、記憶装置６３（図１）に記憶されている。ショベル２０の部品の、ある箇所の累積損傷度が１になると、その箇所で破断が生じる可能性が高くなる。１から累積損傷度を減算することにより、余寿命が求まる。

ステップＳ６（図８）において、ステップＳ５で求められた累積損傷度及び余寿命が、機体識別番号等の情報と関連付けられて、記憶装置６３（図１）に記憶される。

管理装置６０は、ショベル支援装置３０（図１）からのコマンドに応じて、要求された
データを記憶装置６３から読み出し、ショベル支援装置３０に送信する。

図１４に、他の実施例によるショベル支援装置３０と、ショベル２０及び管理装置６０との間で行われる通信のシーケンスを示す。以下、図１〜図１３に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

ショベル２０の近距離無線通信装置２５（図１）、及びショベル支援装置３０の近距離無線通信回路３５（図１）を用いて、ショベル２０からショベル支援装置３０に稼働情報が送信される。ショベル支援装置３０は、管理装置６０にデータ転送要求コマンドを送信する。管理装置６０は、データ転送要求コマンドを受信すると、要求のあったショベル２０の現時点までの累積損傷度を記憶装置６３から読み出し、ショベル支援装置３０に送信する。

ショベル支援装置３０は、ショベル２０から受信した稼働情報に基づいて、単周期損傷度の合計を求める。管理装置６０から受信した過去の累積損傷度に、ショベル支援装置３０で新たに求められた単周期損傷度の合計を加えることにより、累積損傷度を新しい値に更新する。更新された累積損傷度に基づいて余寿命を求める。更新された累積損傷度は、管理装置６０に送信される。管理装置６０は、累積損傷度のデータを、更新された値に書き換える。

さらに、ショベル支援装置３０は、ショベル２０から受信した稼働情報に基づいて、地盤の硬さ、作業内容等の外部要因を求める。求められた累積損傷度、余寿命、外部要因等を、表示画面３１（図１）に表示する。表示画面３１に表示される情報は、図５〜図７に示したいずれかの情報と同一である。

図１５に、さらに他の実施例によるショベル支援装置３０と、ショベル２０及び管理装置６０との間で行われる通信のシーケンスを示す。以下、図１４に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

図１５に示した例では、ショベル支援装置３０が、現時点までの累積損傷度に関する情報を有している。このため、ショベル支援装置３０は、管理装置６０（図１４）に問い合わせることなく、新たな累積損傷度の計算、余寿命の計算を行うことができる。

図１４及び図１５に示した実施例においても、図１〜図１３に示した実施例と同様に、ショベル２０の適切な修理点検計画、再配置計画を立てることができる。

上記実施例では、ショベル支援装置の支援対象として、図３に示したように、上部旋回体８２を電動の旋回モータ８３で旋回させるハイブリッド型ショベルを例示したが、油圧ショベルを支援対象とすることも可能である。

図１６に、支援対象となる油圧ショベルのブロック図を示す。以下、図３に示したハイブリッド型ショベルとの相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

油圧ショベルでは、図３に示した電動発電機１１１、インバータ１１３Ａ、１１３Ｂ、蓄電回路１１２が搭載されない。なお、エンジン１１０の起動用、及び種々の電子装置の電源用のバッテリは搭載されている。電動の旋回モータ８３（図３）に代えて、旋回用油圧モータ８３Ａが搭載される。旋回用油圧モータ８３Ａは、メインポンプ１２２から供給される作動油により駆動される。図３に示したハイブリッド型ショベルと同様に、ブームシリンダ８８、アームシリンダ８９、及びバケットシリンダ９０の各々に、姿勢センサ９１及び荷重センサ９２が取り付けられている。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

２０ ショベル
２１ 車両コントローラ
２２ 通信装置
２３ ＧＰＳ受信機
２４ 表示装置
２５ 近距離無線通信装置
２６ センサ群
３０ ショベル支援装置
３１ 表示画面
３２ 入力装置
３３ 処理装置
３４ 送受信回路
３５ 近距離無線通信回路
３６ 記憶装置
３８ 機体識別番号
３９ 累積損傷度
４０ 損傷度最大箇所
４２ 同一作業継続時間
４３ 作業内容
４４ 累積稼働時間
４５ 地盤の硬さ分布図
４６ 作業地形
４７ 同一作業継続時間
４８ 余寿命
４９ 余寿命最短箇所
５０ 作業内容履歴
６０ 管理装置
６１ 入力装置
６２ 出力装置
６３ 記憶装置
６４ 処理装置
６５ 通信装置
７０ 通信回線
８０ 下部走行体
８１ 旋回軸受
８２ 上部旋回体
８３ 旋回モータ
８３Ａ 旋回用油圧モータ
８４ 旋回角センサ（レゾルバ）
８５ ブーム
８６ アーム
８７ バケット
８８ ブームシリンダ
８９ アームシリンダ
９０ バケットシリンダ
９１ 姿勢センサ（変位センサ）
９２ 荷重センサ（圧力センサ）
１０９Ａ、１０９Ｂ 油圧モータ
１１０ エンジン
１１１ 電動発電機
１１２ 蓄電回路
１１３Ａ、１１３Ｂ インバータ
１２１ トルク伝達機構
１２２ メインポンプ
１２３ 高圧油圧ライン
１２４ コントロールバルブ
１２５ パイロットポンプ
１２６ パイロットライン
１２７ 圧力センサ
１２８ 操作装置
１２９、１３０ 油圧ライン
１３１ 減速機
１３３ メカニカルブレーキ

Claims (10)

1. 画像を表示する表示画面と、
   通信機能を有する送受信回路と、
   前記送受信回路を通して受信された情報に基づいて、前記表示画面に画像を表示する処理装置と
   を有し、
   前記処理装置は、複数のショベルの各々の部品に蓄積された累積損傷度に基づく評価結果を、前記ショベルの各々の前記部品の損傷に影響を及ぼす外部要因と関連付けて、前記ショベルごとに、前記表示画面に表示するショベル支援装置。
2. 前記表示画面に表示される前記評価結果は、前記部品の複数の箇所において算出された前記累積損傷度の最大値、または前記累積損傷度から推定される余寿命の最短値である請求項１に記載のショベル支援装置。
3. 前記外部要因は、前記ショベルに加わる動力負荷に影響を与える負荷要因でもある請求項１または２に記載のショベル支援装置。
4. 前記外部要因は、前記ショベルの作業対象の地盤の硬さ、及び前記ショベルの作業内容の少なくとも一方を含む請求項１または２に記載のショベル支援装置。
5. 複数台の前記ショベルから収集された稼働情報に基づいて、管理装置によって求められた前記評価結果を、前記送受信回路を通して前記処理装置が受信し、前記処理装置は、受信した前記評価結果を、前記表示画面に表示する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のショベル支援装置。
6. 地盤の硬さ情報、及び前記ショベルの位置情報を、前記送受信回路を通して前記処理装置が受信し、前記処理装置は、受信した前記地盤の硬さ情報及び前記ショベルの位置情報に基づいて、前記地盤の硬さの分布を前記表示画面に表示する請求項５に記載のショベル支援装置。
7. 前記処理装置は、前記送受信回路を通して、複数台の前記ショベルから稼働情報を受信し、受信した前記稼働情報に基づいて前記評価結果を求め、求められた前記評価結果を、前記表示画面に表示する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のショベル支援装置。
8. 前記処理装置は、さらに、複数台の前記ショベルから受信した前記稼働情報に基づいて地盤の硬さ情報及び前記ショベルの位置情報を求め、求められた前記地盤の硬さ情報及び前記ショベルの位置情報に基づいて、前記地盤の硬さの分布を前記表示画面に表示する請求項７に記載のショベル支援装置。
9. 前記ショベルの各々の作業内容ごとの合計の作業時間情報を、前記送受信回路を通して前記処理装置が受信し、前記処理装置は、受信した前記作業時間情報に基づいて、前記ショベルごとに、前記作業内容ごとの合計の作業時間を、前記表示画面にグラフで表示する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のショベル支援装置。
10. 下部走行体と、
    前記下部走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体と、
    前記上部旋回体に取り付けられたブーム及びアームを含むアタッチメントと、
    前記アタッチメントの姿勢及び駆動力を測定する第１のセンサと、
    通信機能を有する通信装置と、
    位置情報を取得する第２のセンサと、
    前記第１のセンサで取得された測定値に基づいて、作業対象の地盤の硬さを算出し、算出された前記地盤の硬さと、前記第２のセンサで取得された前記位置情報とを、前記通信装置を経由して送信する車両コントローラと
    を含むショベル。

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