JP2016109019A - 建設機械の管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】機体の故障解析や故障・予兆診断を高精度かつ低コストで行うことができる建設機械の管理システムを提供する。【解決手段】建設機械のディーゼルエンジン２１の累積ストレス値を検出するエンジンコントロールユニット１０４と、クランクケース圧を検出するクランクケース圧センサ３０８とを有する、少なくとも１つの代表機体（建設機械１ａ）と、エンジンコントロールユニット１０４を有し、かつクランクケース圧センサ３０８を有しない、少なくとも１つの一般機体（建設機械１ｂ，１ｃ）とを含む建設機械の機体群において、センターサーバー１０５は、代表機体から得られた累積ストレス値とクランクケース圧の相関情報と、一般機体の累積ストレス値とに基づいて、一般機体のクランクケース圧に関する故障状態の予兆診断を行う。【選択図】 図１

Description

本発明は、建設機械の故障解析や故障・予兆診断などの処理を行う管理システムに関する。

油圧ショベルなどの建設機械においては、トラックなどの車両に比べて負荷率が高いため、エンジンなどが故障に至る可能性が相対的に高い。その一方で、このような建設機械が致命的な故障に至った場合には、膨大な修理費が発生するとともに修理期間中の稼働率を大幅に低下させざるを得ないという事情があるため、故障解析や予兆診断等を行うことによって故障初期での整備対応を可能とし、機体の致命的な故障を回避することが望まれている。

例えば、建設機械に用いられるエンジンの故障診断に関する技術として、特許文献１（特開２０１２−１７７３１９号公報）には、原動機であるエンジンに筒内圧センサを設置し、燃料噴射弁の故障を検出する内燃機関の故障診断装置が開示されている。

また、エンジンの故障診断に関する他の技術として、例えば、特許文献２（特開２００８−１９６４２８号公報）には、エンジン出力に関連する信号の大きさと出現頻度との関係を表わす頻度分布情報を生成して蓄積し、その頻度分布情報に基づいてエンジン出力の低下を検知する機体診断装置が開示されている。

特開２０１２−１７７３１９号公報 特開２００８−１９６４２８号公報

しかしながら、上記従来技術には次のような問題点がある。

すなわち、上記特許文献１のように、建設機械の機体の動作制御を行うために標準的に設置されている各種センサの他に、例えば、筒内圧センサのようなエンジンの故障診断に用いる情報を収集するための計測用センサを別途設置することには、機体のコスト増加につながってしまうという課題がある。

また、上記特許文献２のように、情報ネットワークを用いるシステムでは、情報を蓄積するサーバと機体の間での通信容量に制限があるため、情報量の多いセンサを各機体に取り付けた場合には、全ての機体からの十分な情報を取り込むことができないといった課題がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、機体の故障解析や故障・予兆診断を高精度かつ低コストで行うことができる建設機械の管理システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、建設機械の機体に関する第１情報を検出する第１情報検出装置と、第２情報を検出する第２情報検出装置とを有する、少なくとも１つの第１機体と、前記第１情報検出装置を有し、かつ前記第２情報検出装置を有しない、少なくとも１つの第２機体とを含む建設機械の機体群において、各機体の状態を管理する建設機械の管理システムであって、前記第１機体から得られた第１情報と第２情報の相関情報と、前記第２機体の第１情報とに基づいて、前記第２機体の第２情報に関する故障状態の予兆診断を行う機体状態診断装置を備えたものとする。

建設機械の機体の故障解析や故障・予兆診断を高精度かつ低コストで行うことができる。

第１の実施の形態に係る建設機械の管理システムの全体構成を概略的に示す図である。 第１の実施の形態に係る建設機械の管理システムの基本的な考え方を説明する図であり、建設機械の各機体とセンターサーバーを情報ネットワークで結んだ管理システムの全体構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る建設機械の管理システムの基本的な考え方を説明する図であり、複数の建設機械を含む建設機械群を形成する際の考え方をそれぞれ説明する図である。 第１の実施の形態に係る建設機械の一例として示す油圧ショベルの外観を示す図である。 第１の実施の形態に係る油圧ショベルの油圧駆動系に係る構成を模式的に示す図である。 第１の実施の形態に係る油圧ショベルのディーゼルエンジンを関連構成ととともに抜き出して模式的に示す図である。 ディーゼルエンジンの気密性に関する故障・予兆診断である気密劣化診断処理における気密劣化の診断原理を模式的に示す図である。 気密劣化診断処理に関するパラメータの相関を示す図である。 気密劣化診断処理における気密劣化の判定方法を模式的に示す図である。 気密劣化診断処理における処理フローを示す図であり、センターサーバー１０５の故障関連データ蓄積部５０１が有するデータベースの更新フローを示す図である。 気密劣化診断処理における処理フローを示す図であり、気密劣化診断処理における気密劣化の判定フローを示す図である。 ディーゼルエンジンの過負荷に関する故障・予兆診断である過負荷診断処理における過負荷診断の原理を模式的に示す図である。 過負荷診断処理に関するパラメータの相関を示す図である。 過負荷診断処理における過負荷の判定方法を模式的に示す図である。 過負荷診断処理における処理フローを示す図であり、センターサーバー１０５の故障関連データ蓄積部５０１が有するデータベースの更新フローを示す図である。 過負荷診断処理における処理フローを示す図であり、過負荷診断処理における過負荷の判定フローを示す図である。 ディーゼルエンジンの過給機の過回転に関する故障・予兆診断である過回転診断処理における過回転診断の原理を模式的に示す図である。 過回転診断処理に関するパラメータの相関を示す図である。 過回転診断処理における過回転の判定方法を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１〜図１１を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る建設機械の管理システムの全体構成を概略的に示す図である。

図１において、建設機械の管理システムは、複数の建設機械１ａ〜１ｃ（例えば、後に詳述する油圧ショベル）から情報ネットワークの通信路５０５ａ〜５０５ｃを介して得られる建設機械の情報を収集し、情報処理を行って建設機械群（言い換えると、建設機械の機体群）の全体を管理するとともに、建設機械の機体に関する情報に基づいて故障解析や故障・予兆診断等を行う機体状態診断装置としてのセンターサーバー１０５を備えている。

センターサーバー１０５は、故障解析済みのデータを蓄積する故障関連データ蓄積部５０１、故障診断処理を行うための故障判定用データ解析部５０２、予兆診断を行うための故障防止用データ解析部５０３、及び故障関連警告発令部５０４を有しており、これらによって、各建設機械から収集した機体の情報に基づいて故障解析や故障・予兆診断の処理を行う。

本実施の形態では、ディーゼルエンジンを原動機とする油圧ショベルを建設機械の一例として示し、機体の情報として収集したディーゼルエンジンの各種情報に基づいて故障解析や故障・予兆診断の処理を行う場合について説明する。

ここで、本実施の形態における建設機械の管理システムの基本的な考え方について説明する。

図２及び図３は、本実施の形態に係る建設機械の管理システムの基本的な考え方を説明する図であり、図２は建設機械の各機体とセンターサーバーを情報ネットワークで結んだ管理システムの全体構成を、図３は複数の建設機械を含む建設機械群を形成する際の考え方をそれぞれ説明する図である。

図２において、同じセンターサーバー１０５に情報ネットワークで接続された複数（ここでは３台の場合を例示して説明する）の建設機械１ａ〜１ｃは同機種であり、それぞれ、代表機体、又は一般機体としての役割をそれぞれ割り当てられている。

代表機体とは、建設機械群（機体群）の中で、稼働率や作業負荷が高いと予測される機体（本実施の形態では建設機械１ａとする）であり、同一機体群の他の機体（一般機体：本実施の形態では建設機械１ｂ，１ｃとする）に先行して稼動させる機体であり、機体群の中から予め経験的に設定されるものである。代表機体（建設機械１ａ）には機体における各種情報を取得するために、代表機体及び一般機体（建設機械１ｂ，１ｃ）の両方において動作制御用として設置されている制御用センサとは別に計測用センサを一般機体と比較して増設すると共に、センターサーバー１０５との接続に際し、情報量の増大に見合った専用回線を設ける。なお、代表機体および一般機体はともに１台以上であれば良く、それぞれ複数の機体が設定されても良い。

代表機体は、一般機体に対する先行稼動期間中に計測用センサで得られた故障に関する詳細な情報（例えば、故障が起き易いと推測される部品に関する情報、各種故障が発生した時の運転条件に関する情報、計測用センサ値と制御用センサ値との相関に関する情報、などについて、情報ネットワークを介してセンターサーバー１０５に収集し解析することで、同じ情報ネットワークに繋がる他の機体（他の代表機体や一般機体）の故障解析や故障・予兆診断に適用する。

図３において、各機体群における代表機体から得られた情報を他の機体（他の代表機体や一般機体）に展開した際の有効性をできるだけ高めるために、代表機体と他の機体（一般機体）の環境が似通っている機体で機体群を構成する。

機体群の構成の一例としては、環境条件ごとのグルーピングが考えられ、たとえば、寒冷地、砂漠地、高地、或いは湿潤地のそれぞれの環境条件別に機体群を構成することが考えられる。また、その他の機体群の構成例としては、エンジン負荷に着目して指標とした土質ごとのグルーピングが考えられ、例えば、土砂地帯、軟岩地帯、或いは硬岩地帯のそれぞれの作業土質別に機体群を構成しても良い。さらに、エンジン負荷に着目して指標とした他のグルーピングとしては、作業内容ごとのグルーピングが考えられ、例えば、掘削用や解体用などの作業内容別に機体群を構成しても良い。また、上記で挙げた複数の指標をマトリクス状に組み合わせて、より細分化したグルーピングとし、各機体群における運用条件の類似性を高めても良い。

図４は、本実施の形態に係る建設機械の一例として示す油圧ショベルの外観を示す図である。また、図５は、油圧ショベルの油圧駆動系に係る構成を模式的に示す図である。

図４及び図５において、建設機械である油圧ショベル１は、クローラ式の下部走行体５と、下部走行体５に対して旋回可能に設けられた上部旋回体４と、掘削作業手段などを備える作業装置２とから概略構成されている。

上部旋回体４には、油圧ショベル１の操作装置やオペレータが着席する運転席等が配置された運転室３、建設機械である油圧ショベル１の原動機としてのディーゼルエンジン２１、油圧ポンプ２２及び旋回油圧モータ３１などが備えられている。運転室３の内部には、油圧ショベル１に関する計器類などの各種情報を表示する表示装置としてのモニターユニット１０３（後の図６参照）や各種操作を行う操作装置（図示せず）などが設けられている。

ディーゼルエンジン２１と油圧ポンプ２２は機械的に接続されており、エンジン２１によって駆動された油圧ポンプ２２は、作動油タンク２４の作動油を圧縮して圧油とし、コントロールバルブ２３に供給する。コントロールバルブ２３は、オペレータからの操作指令に基づいて、下部走行体５、上部旋回体４及び作業装置２の動作に必要な圧油を制御分配し、不要な圧油については作動油タンク２４に戻している。旋回油圧モータ３１は、コントロールバルブ２３を介して供給される圧油により駆動され、旋回減速装置３２及び先回歯車３３を介して上部旋回体４を下部走行体５に対して右方向又は左方向に旋回駆動させる。

下部走行体５には左右の走行油圧モータ４２（一方のみ図示）が配置されており、油圧ポンプ２２からコントロールバルブ２３及びセンタージョイント４１を経由して送られた圧油によって、走行モータ４２及び走行減速装置４３が駆動されることによりクローラ４４が回転駆動され、油圧ショベル１は前方又は後方に走行する。

作業装置２は、ブーム６、アーム７及びバケット８から構成されており、ブーム６はブームシリンダ９により上下動され、アーム７はアームシリンダ１０によりダンプ側（開く側）又はクラウド側（掻き込む側）に操作され、バケット８はバケットシリンダ１１によりダンプ側又はクラウド側に操作される。ブームシリンダ９、アームシリンダ１０、及びバケットシリンダ１１は、コントロールバルブ２３を介して供給される圧油により駆動される。

図６は、本実施の形態に係る油圧ショベルのディーゼルエンジンを関連構成ととともに抜き出して模式的に示す図である。

図６において、油圧ショベル１のディーゼルエンジン２１には、出力シャフト３０５を介して油圧ポンプ２２に直結されており、油圧ポンプ２２はディーゼルエンジン２１によって駆動される。

ディーゼルエンジン２１には、電子制御式の燃料噴射装置３０１、排気マニホールド３０２を介して排出される排気ガスで駆動されるターボチャージャー３０３、及び排気ガス浄化装置の１種であるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）装置４０１が備えられている。ＤＰＦ装置４０１は、排気マニホールド３０２に続く排気管３０４に設置されており、その上流側に配置された酸化触媒４０２と、その下流側に配置され、排気ガスに含まれる粒子状物質（PM: Particle Matter）を捕集するＰＭ捕集フィルタ４０３とから構成されている。

エンジンコントロールユニット１０１には、メインコントロールユニット１０１から送信される目標エンジン回転数と、出力シャフト３０６に設けられた回転数センサ３０６により検出された実エンジン回転数と、ターボチャージャー３０３への排気の供給部に設けられた過給圧センサ３０７により検出された過給圧と、ディーゼルエンジン２１に設けられたクランクケース圧センサ３０８により検出されたクランクケース圧と、ＤＰＦ装置４０１に設けられた排気温度センサ４０４により検出された排気温度と、ＤＰＦ差圧センサ４０５により検出されたＤＰＦ前後差圧とが入力されている。エンジンコントロールユニット１０４は、メインコントロールユニット１０１から送信された目標エンジン回転数と、回転センサ３０６から送信された実エンジン回転数の差分に基づき燃料噴射装置３０１に対して目標燃料噴射量を送信してエンジン回転数を制御する。

なお、建設機械の機体に関する情報としてクランクケース圧を検出する情報検出装置としてのクランクケース圧センサ３０８は、代表機体にのみに新設・追加されており、一般機体には設けられていない。

メインコントロールユニット１０１は、油圧ショベル１の全体の動作を制御するものであり、エンジンの始動や停止に関わるキースイッチ２０１からの信号や、ディーゼルエンジン２１の回転数を指定するエンジンコントロールダイヤル２０２からの信号、ディーゼルエンジン２１のアイドル回転数を最適化するオートアイドルスイッチ２０３からの信号、及びディーゼルエンジン２１の出力を調整するパワーモードスイッチ２０４からの信号などが入力されており、メインコントロールユニット１０１は、これらの情報を基に目標エンジン回転数を演算してエンジンコントロールユニット１０４へ送信する。

また、メインコントロールユニット１０１には、オペレータに油圧やエンジンに関する情報を提供する表示装置としてのモニターユニット１０３や、油圧ショベル１の機体に関する情報の外部とのやり取りを行う情報コントロールユニット１０２などが接続されている。情報コントロールユニット１０２は、通信路としての衛星通信１０７を介してセンターサーバー１０５と相互通信が可能であり、油圧ショベル１の機体の情報をセンターサーバー１０５へ送信するほか、センターサーバー１０５から送信されるインフラ情報や建設機械郡を構成する各機体への参考情報、各指令値などを受信する。

ここで、本実施の形態の建設機械の管理システムにおける故障解析や故障・予兆診断の処理について詳細に説明する。本実施の形態では、具体的な事例としてディーゼルエンジンの気密性に関する故障解析や故障・予兆診断を行う場合を例示して説明する。

本実施の形態における建設機械の管理システムは、建設機械の機体に関する累積ストレス（第１情報）を検出する累積ストレス検出装置（後述の各種センサやエンジンコントロールユニット、アワーメータ等により構成される第１情報検出装置）と、クランクケース圧（第２情報）を検出するクランクケース圧センサ３０８（第２情報検出装置）とを有する、少なくとも１つの代表機体（第１機体）と、累積ストレス検出装置（第１情報検出装置）を有し、かつクランクケース圧センサ３０８（第２情報検出装置）を有しない、少なくとも１つの一般機体（第２機体）とを含む建設機械の機体群において、各機体の状態を管理するものであって、センターサーバー１０５（機体状態診断装置）により、代表機体（第１機体）から得られた累積ストレス（第１情報）とクランクケース圧（第２情報）の相関情報と、一般機体（第２機体）の累積ストレス（第１情報）とに基づいて、一般機体（第２機体）のクランクケース圧（第２情報）に関する故障状態の予兆診断を行うものである。

図７は、ディーゼルエンジンの気密性に関する故障・予兆診断である気密劣化診断処理における気密劣化の診断原理を模式的に示す図であり、図８は気密劣化診断処理に関するパラメータの相関を示す図であり、図９は気密劣化診断処理における気密劣化の判定方法を模式的に示す図である。

図７においては、ディーゼルエンジン２１のクランクケース２１ａとその周辺構成を模式的に示している。ディーゼルエンジン２１は、例えば、長期使用による部品間の磨耗などにより、シリンダ２１ｂとピストン２１ｃ間のクリアランスが広がり、エンジン内部（つまり、シリンダ２１ｂにおける燃焼室）の気密が劣化してしまい、ブローバイガス(燃焼室からクランクケース２１ａ側に吹き抜ける未燃ガス)が増加するため、ディーゼルエンジン２１の気密劣化時には正常時に比べてクランクケース２１ａの内圧が上昇する。つまり、クランクケース２１ａの内圧をクランクケース圧センサ３０８にてモニターすれば、その圧力値からエンジンの気密劣化具合に関して予兆診断を行うことができる。

図８では、代表機体のディーゼルエンジンにおけるクランクケース圧と累積ストレスとの関係を示しており、縦軸にクランクケース圧、横軸に累積ストレスをそれぞれ示している。

図８に示すように、累積ストレスＳが０の場合には、クランクケース圧Ｐは初期値Ｐ０であり、累積ストレスＳが増加するにつれてクランクケース圧Ｐも上昇する。累積ストレスＳがある水準を越えるとクランクケース圧Ｐは急激に上昇し、累積ストレスＳがある値Ｓ１になるとクランクケース圧Ｐの正常値としての許容限界値Ｐ１（クランクケース圧許容限界値）に到達し、累積ストレスＳが値Ｓ１を超えるとクランクケース圧Ｐは許容範囲外に到達する。

前述のように、ディーゼルエンジン２１の気密劣化に相関のあるクランクケース圧は、代表機体のディーゼルエンジン２１に設置されたクランクケース圧センサ３０８により検出される。また、累積ストレスは、代表機体及び一般機体に設けられた各種センサの検出値に基づいてエンジンコントロールユニット等で演算されるエンジン負荷率の平均値と、建機の稼動時間累積値を表すアワーメータ値を掛け合わせた値を以って指標としている。クランクケース圧と累積ストレスとの相関は、代表機体の先行稼動期間中に累積ストレスとクランクケース圧の関係をプロットしながら、その情報をセンターサーバー１０５内のデータベースに格納することで取得する。クランクケース圧と累積ストレスの相関を用いることにより、一般機体の各種センサの検出値からエンジンコントロールユニット１０４で演算可能な累積ストレス値に基づいてクランクケース圧を推定することができ、ひいてはディーゼルエンジン２１の気密劣化の程度を推定し故障状態の予兆診断を行うことが可能となる。

図９に示すように、気密劣化診断処理における気密劣化の判定では、代表機体（建設機械１ａ参照）で得られた気密劣化診断に関する情報（クランクケース圧と累積ストレスとの相関）を、他の一般機体（建設機械１ｂ、１ｃ）に展開する。代表機体において取得したクランクケース圧と累積ストレスの相関をセンターサーバー１０５を介して他の一般機体に適用し、ディーゼルエンジン２１の気密劣化診断処理を実施する。

例えば、ある一般機体（建設機械１ｂ）の気密劣化診断処理を実施する際には、センターサーバー１０５内に建設機械１ｂの累積ストレスに関する情報を取り込み、累積ストレスとクランクケース圧の関係に基づいてクランクケース圧の推定値を演算する。演算の結果、推定クランクケース圧が許容範囲外にあることが判定された際には、センターサーバー１０５から建設機械１ｂに対して気密劣化に関する警告（気密劣化警告）を発令し、モニターユニット（表示装置）１０３等に表示させることによってオペレータに機体の点検を促す。

また、他の一般機体（建設機械１ｃ）の気密劣化診断処理を実施する際も同様に、センターサーバー１０５内に建設機械１ｃの累積ストレスに関する情報を取り込み、累積ストレスとクランクケース圧の関係に基づいてクランクケース圧の推定値を演算する。演算の結果、推定クランクケース圧が許容範囲内にあることが判定された際には、センターサーバー１０５はアクションを起こさず、機密劣化診断処理のプロセスを終了する。

次に、本実施の形態における気密劣化診断処理について説明する。

図１０は、気密劣化診断処理における処理フローを示す図であり、センターサーバー１０５の故障関連データ蓄積部５０１が有するデータベースの更新フローを示す図である。

図１０において、センターサーバー１０５の故障関連データ蓄積部５０１は、まず、故障判定に関するデータベースを更新するために予め定めた周期に達したかどうかを判定し（ステップＳ６０１）、判定結果がＹＥＳの場合には、代表機体における累積ストレス値を入手し（ステップＳ６０２）、代表機体に新設したクランクケース圧センサ３０８によって、予め定めた特定の運転条件下におけるクランクケース圧の平均値を取得し（ステップＳ６０３）、データベースにおける累積ストレスとクランクケース圧の関係に関する情報を更新し（ステップＳ６０４）、処理を終了する。また、ステップＳ６０１での判定結果がＮＯの場合には、データベースを更新せずに処理を終了する。

図１１は、気密劣化診断処理における処理フローを示す図であり、気密劣化診断処理における気密劣化の判定フローを示す図である。

図１１において、センターサーバー１０５の故障関連データ蓄積部５０１は、まず、代表機体の情報から生成した累積ストレスとクランクケース圧との関係に関する情報をデータベースから読み出し（ステップＳ６１１）、さらに、予め設定したクランクケース圧許容限界値に関する情報をデータベースから読み出す（ステップＳ６１２）。次に、故障判定用データ解析部５０２は、気密劣化判定処理の処理対象となる機体の累積ストレス値を取得し（ステップＳ６１３）、ステップＳ６１１，Ｓ６１２で読み出した累積ストレスとクランクケース圧との関係と、ステップＳ６１３で取得した累積ストレス値とを用いて、気密劣化判定処理の処理対象のクランクケース圧を推定し、推定クランクケース圧を取得する（ステップＳ６１４）。次に、故障関連警告発令部５０４は、推定クランクケース圧がクランクケース圧許容限界値よりも小さいかどうかを判定し（ステップＳ６１５）、判定結果がＮＯの場合には、ディーゼルエンジン２１の気密が劣化していると判断し、その旨を表示装置等を介してオペレータに警告し、或いは警告と同時にディーゼルエンジン２１の出力制限等の処理を実施する（ステップＳ６１６）。また、ステップＳ６１５での判定結果がＹＥＳの場合には、そのまま処理を終了する。

以上のように構成した本実施の形態の作用効果を説明する。

従来技術のように、建設機械の機体の動作制御を行うために標準的に設置されている各種センサの他に、例えば、筒内圧センサのようなエンジンの故障診断に用いる情報を収集するための計測用センサを別途設置することには、機体のコスト増加につながってしまうという課題があった。また、情報ネットワークを用いるシステムでは、情報を蓄積するサーバと機体の間での通信容量に制限があるため、情報量の多いセンサを各機体に取り付けた場合には、全ての機体からの十分な情報を取り込むことができないといった課題もある。

これに対して、本実施の形態においては、建設機械の機体に関する累積ストレス（第１情報）を検出するエンジンコントロールユニット１０４（第１情報検出装置）と、クランクケース圧（第２情報）を検出するクランクケース圧センサ３０８（第２情報検出装置）とを有する、少なくとも１つの代表機体（第１機体）と、エンジンコントロールユニット１０４を有し、かつクランクケース圧センサ３０８を有しない、少なくとも１つの一般機体（第２機体）とを含む建設機械の機体群において、センターサーバー１０５によって、各機体の状態を管理する建設機械の管理システムであって、代表機体から得られた累積ストレスとクランクケース圧の相関と、一般機体の累積ストレスとに基づいて、一般機体のクランクケース圧の機密性に関する故障状態の予兆診断を行う気密劣化診断処理を行うように構成したので、機体のディーゼルエンジン２１の機密性に関する故障解析や故障・予兆診断を高精度かつ低コストで行うことができる。

すなわち、センサを増設して故障解析能力を高めた代表機体を先行稼動させ、その際に得られた故障解析に関する情報を他の一般機体に展開することにより、機体群全体の故障対応能力を向上させることができる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図１２〜図１５を参照しつつ説明する。

第１の実施の形態では、ディーゼルエンジンの気密性に関する故障診断として気密劣化診断処理を行う場合について説明したが、本実施の形態では、ディーゼルエンジンの過負荷に関する故障防止として過負荷診断処理を行う場合について説明する。本実施の形態の図中において第１の実施の形態と同様の部材及び処理には同じ符号を付し説明を省略する。

本実施の形態における建設機械の管理システムは、建設機械の機体に関する過給圧（第１情報）を検出する過給圧センサ３０７（第１情報検出装置）と、筒内圧（第２情報）を検出する筒内圧センサ３０９（第２情報検出装置）とを有する、少なくとも１つの代表機体（第１機体）と、過給圧センサ３０７（第１情報検出装置）を有し、かつ筒内圧センサ３０９（第２情報検出装置）を有しない、少なくとも１つの一般機体（第２機体）とを含む建設機械の機体群において、各機体の状態を管理するものであって、センターサーバー１０５（機体状態診断装置）により、代表機体（第１機体）から得られた過給圧（第１情報）と筒内圧（第２情報）の相関情報と、一般機体（第２機体）の過給圧（第１情報）とに基づいて、一般機体（第２機体）の筒内圧（第２情報）に関する故障状態の予兆診断を行うものである。

図１２は、ディーゼルエンジンの過負荷に関する故障・予兆診断である過負荷診断処理における過負荷診断の原理を模式的に示す図であり、図１３は過負荷診断処理に関するパラメータの相関を示す図であり、図１４は過負荷診断処理における過負荷の判定方法を模式的に示す図である。

図１２においては、ディーゼルエンジン２１をその周辺構成を模式的に示している。ディーゼルエンジン２１の筒内圧(燃焼圧)は、ディーゼルエンジン２１へ与えるストレスの代表的な指標であり、エンジン保護の観点で、筒内圧が過大にならない様に、マージンを設けてディーゼルエンジン２１の出力が調整される。

本実施の形態では、筒内圧と一定の相関を有する過給圧や燃料噴射量などを代替パラメータとして、エンジン出力を管理する。筒内圧に対する過給圧や燃料噴射量の関係は、燃料の質や吸気温度などによって、その関係にズレが生じることがあるため、先行で稼動する代表機体に、既存の過給圧センサ３０７の他、筒内圧センサ３０９を新設・追加し、先行稼動期間中に過給圧センサ３０７の検出値と筒内圧センサ３０９の検出値の関係（過給圧と筒内圧の相関）を稼動条件（例えば、燃料の銘柄Ａ，Ｂ）ごとにプロットしながら、その情報をセンターサーバー１０５内のデータベースに格納する。これにより、本実施の形態においては、過給圧センサ３０７の検出値と筒内圧センサ３０９の検出値の関係が、燃料の質や吸気温度などで変化した際でも、変化要因の情報を付記してデータベースに格納されるので、既存の過給圧センサ３０７の検出値を基に、幅広い条件下でディーゼルエンジン２１への過負荷の程度を推定し故障状態の予兆診断を行う過負荷診断をより正確に行うことが可能となる。

図１３では、代表機体のディーゼルエンジンにおける過給圧と筒内圧との関係を燃料の銘柄ごとにそれぞれ示しており、縦軸に筒内圧、横軸に過給圧をそれぞれ示している。

図１３に示すように、銘柄Ｂの燃料を用いる場合、過給圧Ｐｓが０の場合には、筒内圧Ｐｔは０であり、過給圧Ｐｓが増加するにつれて筒内圧Ｐｔも上昇する。過給圧Ｐｓがある値Ｐｓ１になると筒内圧Ｐｔの正常値としての許容限界値Ｐｔ１（筒内圧許容限界値）に到達し、過給圧Ｐｓが値Ｐｓ１を超えると筒内圧Ｐｔは許容範囲外に到達する。また、銘柄Ａの燃料を用いる場合、過給圧Ｐｓが０の場合には、筒内圧Ｐｔは０であり、過給圧Ｐｓが増加するにつれて筒内圧Ｐｔも上昇する。そして、過給圧Ｐｓがある値Ｐｓ１になっても筒内圧Ｐｔは許容限界値Ｐｔ１（筒内圧許容限界値）に到達せず、過給圧Ｐｓが値Ｐｓ１を超えても筒内圧Ｐｔは許容範囲外に到達しない。

図１４に示すように、過負荷診断処理における過負荷の判定では、代表機体（建設機械１ａ参照）で得られた過負荷診断に関する情報（過給圧と筒内圧との相関）を、他の一般機体（建設機械１ｂ、１ｃ）に展開する。代表機体において取得した過給圧と筒内圧との相関をセンターサーバー１０５を介して他の一般機体に適用し、ディーゼルエンジン２１の過負荷診断処理を実施する。

例えば、ある一般機体（建設機械１ｂ）の過負荷診断処理を実施する際には、建設機械１ｂの稼動条件（例えば、燃料が銘柄Ｂである場合）に基づいてセンターサーバー１０５内に建設機械１ｂの過給圧に関する情報を取り込み、過給圧と筒内圧との関係に基づいて筒内圧の推定値を演算する。演算の結果、推定筒内圧が許容範囲外にあることが判定された際には、センターサーバー１０５から建設機械１ｂに対して過負荷に関する警告（過負荷警告）を発令し、モニターユニット（表示装置）１０３等に表示させることによってオペレータに出力抑制を促す。

また、他の一般機体（建設機械１ｃ）の過負荷診断処理を実施する際も同様に、建設機械１ｃの稼動条件（例えば、燃料が銘柄Ａである場合）に基づいてセンターサーバー１０５内に建設機械１ｃの過給圧に関する情報を取り込み、過給圧と筒内圧との関係に基づいて筒内圧の推定値を演算する。演算の結果、推定筒内圧が許容範囲内にあることが判定された際には、センターサーバー１０５はアクションを起こさず、過負荷診断処理のプロセスを終了する。

次に、本実施の形態における過負荷診断処理について説明する。

図１５は、過負荷診断処理における処理フローを示す図であり、センターサーバー１０５の故障関連データ蓄積部５０１が有するデータベースの更新フローを示す図である。

図１５において、センターサーバー１０５の故障関連データ蓄積部５０１は、まず、故障防止に関するデータベースを更新するために予め定めた周期に達したかどうかを判定し（ステップＳ６２１）、判定結果がＹＥＳの場合には、代表機体における燃料情報（燃料の銘柄等の情報）を入手し（ステップＳ６２２）、代表機体に既設の過給圧センサ３０７によって、代表機体の予め定めた特定の運転条件下における過給圧の平均値を入手し（ステップＳ６２３）、代表機体に新設した筒内圧センサ３０９によって、予め定めた特定の運転条件下における筒内圧の平均値を入手し（ステップＳ６２４）、データベースにおける過給圧と筒内圧との関係に関する情報を更新し（ステップＳ６２５）、処理を終了する。また、ステップＳ６２１での判定結果がＮＯの場合には、データベースを更新せずに処理を終了する。

図１６は、過負荷診断処理における処理フローを示す図であり、過負荷診断処理における過負荷の判定フローを示す図である。

図１６において、センターサーバー１０５の故障関連データ蓄積部５０１は、まず、代表機体の情報から生成した過給圧と筒内圧との関係に関する情報をデータベースから読み出し（ステップＳ６３１）、さらに、予め設定した筒内圧許容限界値に関する情報をデータベースから読み出す（ステップＳ６３２）。次に、故障防止用データ解析部５０３は、過負荷判定処理の処理対象となる機体の燃料情報を取得するとともに（ステップＳ６３３）、過給圧を取得し（ステップＳ６３４）、ステップＳ６３１，Ｓ６３２で読み出した過給圧と筒内圧との関係のうちステップＳ６３３で入手した燃料情報に対応したものと、ステップＳ６１３で取得した過給圧とを用いて、過負荷判定処理の処理対象機体の筒内圧を推定し、推定筒内圧を取得する（ステップＳ６３５）。次に、故障関連警告発令部５０４は、推定筒内圧が筒内圧許容限界値よりも小さいかどうかを判定し（ステップＳ６３６）、判定結果がＮＯの場合には、ディーゼルエンジン２１の負荷が過大であると判断し、その旨を表示装置等を介してオペレータに警告し、或いは警告と同時にディーゼルエンジン２１の出力制限等の処理を実施する（ステップＳ６３７）。また、ステップＳ６３６での判定結果がＹＥＳの場合には、そのまま処理を終了する。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態を図１７及び図１９を参照しつつ説明する。

第２の実施の形態では、ディーゼルエンジンの過負荷に関する故障防止として過負荷診断処理を行う場合について説明したが、本実施の形態では、過給機の過回転に関する故障防止として過回転診断処理を行う場合について説明する。本実施の形態の図中において第１及び第２の実施の形態と同様の部材及び処理には同じ符号を付し説明を省略する。

本実施の形態における建設機械の管理システムは、建設機械の機体に関する過給圧（第１情報）を検出する過給圧センサ３０７（第１情報検出装置）と、タービン回転数（第２情報）を検出するタービン回転圧センサ３１０（第２情報検出装置）とを有する、少なくとも１つの代表機体（第１機体）と、過給圧センサ３０７（第１情報検出装置）を有し、かつタービン回転数センサ３１０（第２情報検出装置）を有しない、少なくとも１つの一般機体（第２機体）とを含む建設機械の機体群において、各機体の状態を管理するものであって、センターサーバー１０５（機体状態診断装置）により、代表機体（第１機体）から得られた過給圧（第１情報）とタービン回転数（第２情報）の相関情報と、一般機体（第２機体）の過給圧（第１情報）とに基づいて、一般機体（第２機体）のタービン回転数（第２情報）に関する故障状態の予兆診断を行うものである。

図１７は、ディーゼルエンジンの過給機の過回転に関する故障・予兆診断である過回転診断処理における過回転診断の原理を模式的に示す図であり、図１８は過回転診断処理に関するパラメータの相関を示す図であり、図１９は過回転診断処理における過回転の判定方法を模式的に示す図である。

図１７においては、ディーゼルエンジン２１及びターボチャージャー３０３をその周辺構成とともに模式的に示している。過給機における過給圧はタービン回転数に依存するが、図３に示すような高地での作業時には、取り込む空気の密度が低いため、同じタービン回転数で比較して、平地よりも過給圧が低くなる。したがって、平地と同じ過給圧を得るためには、タービン回転数をより高める必要がある。つまり、例えば高地において、目標過給圧を下げずにエンジンを駆動した場合、タービン回転数が上昇して過給機に無理が掛かる恐れがあるため、タービンの回転数の上限を制御する必要がある。

本実施の形態では、タービン回転数と一定の相関を有する過給圧などを代替パラメータとして、タービン回転数を管理する。タービン回転数に対する過給圧の関係は、環境や過給機の経年変化などによって、その関係が一律に決まらないことがあるため、先行で稼働する代表機体に、既存の過給圧センサ３０７の他、タービン回転数センサ３１０を新設・追加し、先行稼動期間中に過給圧センサ３０７の検出値とタービン回転数センサ３１０の検出値の関係（過給圧とタービン回転数の相関）を稼働環境（例えば、平地や高地）ごとにプロットしながら、その情報をセンターサーバー１０５内のデータベースに格納する。これにより、本実施の形態においては、過給圧センサ３０７の検出値とタービン回転数センサ３１０の検出値の関係が、稼働環境や過給機の経年変化などで変化した際でも、変化要因の情報を付記してデータベースに格納されるので、既存の過給圧センサ３０７の検出値を基に、幅広い条件下でタービンの過回転の程度を推定し故障状態の予兆診断を行う過回転診断をより正確に行うことが可能となる。

図１８に示すように、機体の稼働環境が平地である場合、タービン回転数ＲｔがＲｔ０の場合には、過給圧ＰｓはＰｓ２であり、タービン回転数Ｒｔが増加するにつれて過給圧Ｐｓも上昇する。そして、タービン回転数Ｒｔがある値Ｒｔ１（Ｒｔ１＜タービン回転数許容値限界Ｒｔ２）になった場合に、過給圧Ｐｓは目標過給圧Ｐｓ３に到達する。また、機体の稼働環境が高地である場合、タービン回転数ＲｔがＲｔ０の場合には、過給圧ＰｓはＰｓ２であり、タービン回転数Ｒｔが増加するにつれて過給圧Ｐｓも上昇する。タービン回転数Ｒｔがタービン回転数許容値限界Ｒｔ２になった場合にも、過給圧Ｐｓは目標過給圧Ｐｓ３には到達せず、タービン回転数Ｒｔがある値Ｒｔ３（Ｒｔ３＞タービン回転数許容値限界Ｒｔ２）になった場合に、過給圧Ｐｓは目標過給圧Ｐｓ３に到達する。

図１９に示すように、過回転診断処理における過回転の判定では、代表機体（建設機械１ａ参照）で得られた過回転診断に関する情報（過給圧とタービン回転数の相関）を、他の一般機体（建設機械１ｂ、１ｃ）に展開する。代表機体において取得した過給圧とタービン回転数の相関をセンターサーバー１０５を介して他の一般機体に適用し、ディーゼルエンジン２１の過給機のタービンの過回転診断処理を実施する。

例えば、ある一般機体（建設機械１ｂ）の過回転診断処理を実施する際には、建設機械１ｂの稼動環境（例えば、稼働環境が高地である場合）に基づいてセンターサーバー１０５内に建設機械１ｂの過給圧に関する情報を取り込み、過給圧とタービン回転数との関係に基づいてタービン回転数の推定値を演算する。演算の結果、推定タービン回転数が許容範囲外にあることが判定された際には、センターサーバー１０５から建設機械１ｂに対して過回転に関する警告（過回転警告）を発令し、モニターユニット（表示装置）１０３等に表示させることによってオペレータに出力抑制を促す。

また、他の一般機体（建設機械１ｃ）の過回転診断処理を実施する際も同様に、建設機械１ｃの稼動条件（例えば、稼働環境が平地である場合）に基づいてセンターサーバー１０５内に建設機械１ｃの過給圧に関する情報を取り込み、過給圧とタービン回転数との関係に基づいてタービン回転数の推定値を演算する。演算の結果、推定タービン回転数が許容範囲内にあることが判定された際には、センターサーバー１０５はアクションを起こさず、過回転診断処理のプロセスを終了する。

その他の構成は第１及び第２の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

上記第１〜第３の実施の形態で説明したように、本発明に係る建設機械の管理システムでは、情報ネットワークに繋がる機体群の中で代表機体を選択し、代表機体には計測用センサを新設・追加して故障解析や予兆診断能力を高め、他の一般機体に先行して稼動させる。これによって代表機体は、実環境/実作業での故障に関する情報を収集するプローブ的な役割を果たし、その情報を情報ネットワークを介して他の一般機体と共有することで、代表機体のみならず、同ネットワークに繋がる機体群全体の故障対応能力を向上させることが可能となる。また、計測用センサの新設・追加を代表機体に絞ることで、建設機械の管理システム全体のコスト増大やネットワーク負荷増大を低減することができる。

なお、本発明の第１〜第３の実施の形態では、計測用センサとして、クランクケース圧センサ、筒内圧センサ、タービン回転数センサを挙げたが、これらに限られず、例えば、エンジントルクセンサや湿度センサ、各種温度センサなど、その他の計測用センサを適用可能であることは言うまでもない。

また、本発明の第１〜第３の実施の形態では、代表機体において既存の制御用センサの他に、計測用センサを新設・追加することで故障解析や予兆診断能力を高めているが、代表機体の故障解析能力を高める目的で、センターサーバー１０５へ送信する情報の数を他の一般機体に比べて増やしたり、情報送信の間隔を他の一般機体に比べて短くしたりすることが考えられる。

また、本発明の第１〜第３の実施の形態では、故障診断の対象として建設機械の原動機であるディーゼルエンジンを挙げて説明したが、これに限られず、例えば、建設機械における油圧装置や構造体の診断などにも適用可能である。

１ 油圧ショベル（建設機械）
１ａ 建設機械（代表機体）
１ｂ、１ｃ 建設機械（一般機体）
１０１ メインコントロールユニット（情報検出装置）
１０２ 情報コントロールユニット（情報ネットワーク）
１０３ モニターユニット（情報検出装置）
１０４ エンジンコントロールユニット（情報検出装置）
１０５ センターサーバー（機体状態診断装置）
１０７ 衛星通信（情報ネットワーク）
３０６ 回転センサ（情報検出装置）
３０７ 過給圧センサ（情報検出装置）
３０８ クランクケース圧センサ（情報検出装置）
４０４ 排気温度センサ（情報検出装置）
４０５ ＤＰＦ差圧センサ（情報検出装置）
５０１ 故障関連データ蓄積部（機体状態診断装置）
５０２ 故障判定用データ解析部（機体状態診断装置）
５０３ 故障防止用データ解析部（機体状態診断装置）
５０４ 故障関連警告発令部（機体状態診断装置）

Claims (9)

1. 建設機械の機体に関する第１情報を検出する第１情報検出装置と、第２情報を検出する第２情報検出装置とを有する、少なくとも１つの第１機体と、前記第１情報検出装置を有し、かつ前記第２情報検出装置を有しない、少なくとも１つの第２機体とを含む建設機械の機体群において、各機体の状態を管理する建設機械の管理システムであって、
   前記第１機体から得られた第１情報と第２情報の相関情報と、前記第２機体の第１情報とに基づいて、前記第２機体の第２情報に関する故障状態の予兆診断を行う機体状態診断装置を備えたことを特徴とする建設機械の管理システム。
2. 請求項１記載の建設機械の管理システムにおいて、
   市場に投入される建設機械である前記第１機体は前記第２機体に比べて稼働率または負荷率が高いことを特徴とする建設機械の管理システム。
3. 請求項１記載の建設機械の管理システムにおいて、
   前記第１機体と前記第２機体とは、同機種であることを特徴とする建設機械の管理システム。
4. 請求項１記載の建設機械の管理システムにおいて、
   前記第１の機体と前記第２の機体とは、同じ情報ネットワークに接続されていることを特徴とする建設機械の管理システム。
5. 請求項１記載の建設機械の管理システムにおいて、
   前記機体群は、前記建設機械の機体の稼働環境、作業負荷、又は、作業種類のいずれかに基づいて組分けの設定がなされたことを特徴とする建設機械の管理システム。
6. 請求項１記載の建設機械の管理システムにおいて、
   前記第１機体の第２情報検知装置は、前記建設機械のエンジンの燃焼室の内圧を検知する筒内圧センサ、前記エンジンの過給機のタービン回転数を検知するタービン回転数センサ、前記エンジンのクランクケースの内圧を検知するクランクケース内圧センサ、前記エンジンのトルクを検知するエンジントルクセンサ、湿度を検知する湿度センサのうちの少なくとも何れか１つを有することを特徴とする建設機械の管理システム。
7. 請求項１記載の建設機械の管理システムにおいて、
   前記第１機体は、前記第２機体よりも機体状態診断装置に発信する情報の種類が多いことを特徴とする建設機械の管理システム。
8. 請求項１記載の建設機械の管理システムにおいて、
   前記第１機体から前記機体状態診断装置に情報が送信される周期は、前記第２機体よりも短いことを特徴とする建設機械の管理システム。
9. 請求項１記載の建設機械の管理システムにおいて、
   前記機体状態診断装置は、
   前記第２機体が故障であると診断した場合、又は前記第２機体が故障に至る可能性が高い状況と診断した場合は、診断内容を表示装置に表示する、又は診断内容に基づいて建設機械の原動機の出力制限を行うことを特徴とする建設機械の管理システム。

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