JP2024036852A - 旋回装置の異常診断装置及び建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回装置ピニオンの損傷を抑制できる旋回装置の異常診断装置及び建設機械を提供すること。【解決手段】油圧モータ２と、油圧モータの出力軸１６に結合された遊星歯車減速機１０と、遊星歯車減速機の出力軸４に設けられ、旋回ベアリング８０の内歯１８とグリースバス４０内で噛み合うピニオン１７とを備えた旋回装置の異常診断装置であって、遊星歯車減速機のハウジングである減速機ハウジング６に取り付けられ、減速機ハウジングの振動を検出する第１振動センサ８と、第１振動センサによる検出結果に基づいて旋回装置の異常の有無を判定するプロセッサ９ａとを備える。プロセッサは、第１振動センサによって取得される第１振動データをエンベロープ処理した後にスペクトル波形に変換し、当該スペクトル波形のRMS値を演算し、当該RMS値に基づいてグリースバス内のグリースの量を判定する。【選択図】 図５

Description

本発明は、例えば油圧ショベル等の建設機械向けの旋回装置の異常診断装置及び異常診断機能を備えた建設機械に関するものである。

下部走行及び上部旋回体を備える油圧ショベルには、下部走行体に対して上部旋回体を旋回駆動するための旋回装置が備えられている。旋回装置は、モータ（例えば油圧モータや電動モータ）と、当該モータの出力軸に結合された遊星歯車減速機と、当該遊星歯車減速機の出力軸に設けられ旋回ベアリングの内歯とグリースバス内で噛み合うピニオン（旋回装置ピニオン）とを備えている。

このうち遊星歯車減速機は、複数の歯車により構成される遊星歯車機構により、入力軸に入力される回転を減速してトルクを増幅して出力軸から出力する装置である。遊星歯車減速機の異常診断に関しては、遊星歯車機構近傍で発生する振動を検出し、その振動の周波数から損傷の種類、部位及び程度を判定する手法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開平８－０４３２５７号公報

一方、旋回装置ピニオンは、グリースで満たされたグリースバス内で内輪の内歯と噛み合っているが、継続使用によってグリースバス内のグリースが減少して油位が下がると損傷する可能性が高まる。旋回装置ピニオンが損傷すると長期間のダウンタイムが発生し得る。しかし、旋回装置ピニオンは、上記の遊星歯車減速機と異なり、異常診断技術の開発が為されていない。

本発明の目的は、グリースバス内のグリースの状態を判定することで旋回装置ピニオンの損傷を抑制できる旋回装置の異常診断装置及び建設機械を提供することにある。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、モータと、前記モータの出力軸に結合された遊星歯車減速機と、前記遊星歯車減速機の出力軸に設けられ、旋回ベアリングの内歯とグリースバス内で噛み合うピニオンとを備えた旋回装置の異常診断装置であって、前記遊星歯車減速機のハウジングである減速機ハウジングに取り付けられ、前記減速機ハウジングの振動を検出する第１振動センサと、前記第１振動センサによる検出結果に基づいて前記旋回装置の異常の有無を判定するプロセッサとを備え、前記プロセッサは、前記第１振動センサによって取得される第１振動データをエンベロープ処理し、当該エンベロープ処理された前記第１振動データをスペクトル波形に変換し、前記スペクトル波形のRMS値を演算し、前記RMS値に基づいて前記グリースバス内のグリースの量を判定することとする。

本発明によれば、グリースバス内のグリースの状態（例えば量）を判定することで、例えば適切なタイミングでグリースを補充又は交換できるので、旋回装置ピニオンの損傷を抑制できる。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルの側面図を模式的に表す図。 図１の油圧ショベルに搭載された油圧モータ１及び遊星歯車減速機１０の軸断面を模式的に表す図。 図２の遊星歯車減速機１０の横断面を模式的に表す図。 旋回ベアリング８０周辺を模式的に表す平面図。 コントローラ９による異常診断処理のフローチャートの一例を示す図。 遊星歯車減速機１０に取り付けた振動センサで検出された振動のスペクトル波形の一例を示す図。 グリースバス４０のグリースの補充を促すメッセージや図形を例えばキャブ内のモニタに表示する場合の具体例を示す図。 油圧ショベルの使用に伴うＲＭＳ値の時間変化の一例として、加速度ＲＭＳの時間変化を模式的に示した図。 コントローラ９による異常診断処理のフローチャートの一例を示す図。 油圧モータ１に取り付けた振動センサで検出された振動のスペクトル波形の一例を示す図。 遊星歯車減速機１０に取り付けた振動センサで検出された振動のスペクトル波形（異常時）の一例を示す図。 遊星歯車減速機１０に取り付けた振動センサで検出された振動のスペクトル波形（正常時）の一例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は，本実施形態に係る建設機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図である。なお，以下ではフロント作業装置の先端に位置するアタッチメントとしてバケットを備える油圧ショベルについて説明するが，アタッチメントはバケットの他にグラップル，ブレーカ，リフティングマグネットなど種々のものに付け替え可能である。

図１の油圧ショベル１００は，垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材（ブーム３１，アーム３３，バケット３５）を直列的に連結した多関節型のフロント作業装置（作業装置）３０と，車両本体を構成する上部旋回体６０及び下部走行体７０とを備えている。上部旋回体６０は、旋回ベアリング８０を介して下部走行体２に旋回可能に支持されている。上部旋回体６０は，旋回フレーム６１上に各部材を配置して構成されており，上部旋回体６０を構成する旋回フレーム６１が下部走行体７０に対して旋回可能となっている。また，フロント作業装置３０の基端部であるブーム３１の基端は車両本体を構成する上部旋回体６０の前部に回動可能に取り付けられており，アーム３３の基端はブーム３１の先端に回動可能に支持されており，アーム３３の先端にはバケット３５が回動可能に支持されている。

下部走行体７０は，左右一対のクローラフレーム７２ａ（７２ｂ）にそれぞれ掛け回された一対のクローラ７１ａ（７１ｂ）と，クローラ７１ａ（７１ｂ）をそれぞれ駆動する走行油圧モータ７３ａ（７３ｂ）とを備え、旋回装置４００を介して上部旋回体６０を旋回可能に支持している。なお，下部走行体７０の各構成については，左右一対の構成のうちの一方のみを図示して符号を付し，他方の構成については図中に括弧書きの符号のみを示して図示を省略する。

ブーム３１，アーム３３，バケット３５，及び下部走行体７０は，油圧アクチュエータであるブームシリンダ３２，アームシリンダ３４，バケットシリンダ３６，及び左右の走行油圧モータ７３ａ（７３ｂ）によりそれぞれ駆動される。

上部旋回体６０は、旋回油圧モータ２により遊星歯車減速機１０を介して駆動され，下部走行体７０に対して回転移動（旋回動作）を行う。遊星歯車減速機１０は、旋回油圧モータ２の出力軸１６（図２参照）から入力される回転を減速しつつトルクを増幅して出力軸４（図２参照）から出力する。

上部旋回体６０を構成する旋回フレーム６１上には，フロント作業装置３０（複数のフロント部材３１，３２，３５），上部旋回体６０および下部走行体７０を操作するための操作装置４５が搭載されたキャブ（運転室）６５と、遊星歯車減速機１０の異常診断を行うことができるコントローラ９等が配置されている。この他にも旋回フレーム６１上には，原動機であるエンジン６２とともに，ブームシリンダ３２，アームシリンダ３４，バケットシリンダ３６，旋回油圧モータ２及び左右の走行油圧モータ７３ａ（７３ｂ）などの複数の油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプを含む油圧回路システム４１が搭載されている。

図２は、本実施形態に係る異常診断装置３００と、旋回装置４００と、旋回ベアリング８０の概略構成図である。

旋回装置４００は、油圧モータ（旋回油圧モータ）２と、油圧モータ２の出力軸１６と機械的に連結された遊星歯車減速機１０と、遊星歯車減速機１０の出力軸４に設けられ、グリースバス４０内で旋回ベアリング８０の内歯１８と噛み合うピニオン（旋回装置ピニオン）１７とを備えている。遊星歯車減速機１０は、例えば図示のように、軸方向に連結された２段の遊星歯車機構（第１遊星歯車機構３Ａ，第２遊星歯車機構３Ｂ）により構成でき、油圧モータ２の出力軸（回転軸）１６は遊星歯車減速機１０（図示の例では第１遊星歯車機構３Ａの太陽歯車１１ａ）と機械的に連結されている。

異常診断装置３００は、第１振動センサ８と、コントローラ９とを備えており、第１振動センサ８による検出結果に基づいて旋回装置４００の異常の有無を判定することができる。なお、図示したコントローラ９は第２振動センサ７と接続されているが、コントローラ９によってグリースバス４０内のグリースの補充の要否（補充が必要な量にまでグリース量が減少している状態にあること）を判定するだけの場合（換言すると遊星歯車減速機１０の異常診断を行わない場合）には第２振動センサ７は異常診断装置３００から省略可能であり、その場合の第１センサ８の取り付け位置は図示した遊星歯車減速機１０のハウジング６だけでなく油圧モータ２のハウジング１も許容される。

旋回ベアリング８０は、下部走行体７０の左右のクローラフレーム７２ａ，７２ｂを接続するフレーム７４に固定され内周側に複数の内歯１８を有する内輪８１と、旋回フレーム６１の下面側に固定され内輪８１の外周側に位置する外輪８２を備えている。

フレーム７４の上方にはグリースバス４０が設けられている。グリースバス４０は、内輪８１の内側面に沿って設けられた環状の凹部であり、ピニオン１７の下部をグリース（図示せず）に浸かった状態で収容している。グリースバス４０の外周面は内輪８１の内周面で構成されており、内輪８１の下面とグリースバス４０は液密に結合することが好ましい。

図３は第１遊星歯車機構３Ａが位置する部分における遊星歯車減速機１０の横断面図である。第１遊星歯車機構３Ａは、油圧モータ２の出力軸（回転軸）１６に固定された第１太陽歯車１１ａと、第１太陽歯車１１ａと噛み合って第１太陽歯車１１ａの周囲を公転及び自転しながら回転し得る複数の第１遊星歯車１２ａ（図示の例では遊星歯車１２ａは３つ）と、複数の第１遊星歯車１２ａと噛み合い、遊星歯車減速機１０のハウジング（減速機ハウジング）６に固定された第１内歯車１３ａと、第１遊星歯車１２ａの回転中心部に挿入された複数の第１遊星歯車ピン１４ａと、複数の第１遊星歯車ピン１４ａに固定され、第１遊星歯車１２ａの公転速度で回転し得る第１キャリア１５ａとを備えている。

第２遊星歯車機構３Ｂは、第１キャリア１５ａに固定された第２太陽歯車１１ｂと、第２太陽歯車１１ｂと噛み合って第２太陽歯車１１ｂの周囲を公転及び自転しながら回転し得る複数の第２遊星歯車１２ｂと、複数の第２遊星歯車１２ｂと噛み合い、ハウジング６に固定された第２内歯車１３ｂと、第２遊星歯車１２ｂの回転中心部に挿入された複数の第２遊星歯車ピン１４ｂと、複数の第２遊星歯車ピン１４ｂに固定され、第２遊星歯車１２ｂの公転速度で回転し得る第２キャリア１５ｂとを備えている。

第２キャリア１５ｂは遊星歯車減速機１０の出力軸４に連結されている。出力軸４の周囲には出力軸４の回転を支持する複数の軸受５が設けられている。出力軸４の下端には、下部走行体７０に設けられた内輪８１の内歯１８と噛み合うピニオン（旋回装置ピニオン）１７が設けられている。

なお、図示した遊星歯車減速機１０の遊星歯車機構は２段であるが、遊星歯車機構の段数はこれに限られない。

本実施形態においては、ハウジング６は複数の遊星歯車機構３Ａ，３Ｂと出力軸４を覆う筒状の部品であり、ハウジング６と出力軸４の間には複数の軸受５が固定されている。

ハウジング６の上部には、油圧モータ２のハウジング（モータハウジング）１が固定されている。油圧モータ２としては、例えばラジアル型やアキシャル型のピストンモータが利用できる。本実施形態においては、ハウジング１は、ピストンモータの構成部品であるピストンやシリンダブロックなどを覆う筒状の部品である。

図示の例では、遊星歯車減速機１０のハウジング６における第１遊星歯車機構３Ａの近傍（例えば第１内歯車１３ａの外周側の位置）に、第１振動センサ８が取り付けられている。第１振動センサ８は、遊星歯車減速機１０のハウジング６に生じる振動を検出するセンサであり、例えば、加速度センサ、速度センサ、接触式変位センサが利用可能である。本実施形態においては、第１振動センサ８は、ハウジング６の外壁、より具体的にはハウジング６の側面（側壁の外側）に接触して設けられている。例えば、ハウジング８は鋳物部品であり、第１振動センサ８は、ハウジング８に第１振動センサ８を固定可能なマグネット（図示せず）を含む。

グリースバス４０内のグリースの補充の要否を判定する場合には、第１振動センサ８をできるだけピニオン１７に近い位置に取り付けることが好ましい。また、遊星歯車減速機１０の異常診断を行う場合には、第１振動センサ８は、好ましくは遊星歯車減速機１０の軸方向において内部に歯車が位置する範囲に取り付けることが好ましく、より好ましくは診断対象の遊星歯車機構のできるだけ近傍とする。図２の例では第１遊星歯車機構３Ａの近傍に取り付けている。

油圧モータ２のハウジング１には、第２振動センサ７を取り付けることができる。第２振動センサ７は、油圧モータ２のハウジング１に生じる振動を検出するセンサであり、例えば、加速度センサ、速度センサ、接触式変位センサが利用可能である。本実施形態においては、第２振動センサ７は、ハウジング１の外壁、より具体的にはハウジング１の側面（側壁の外側）に接触して設けられている。例えば、ハウジング１は鋳物部品であり、第２振動センサ７は、ハウジング１に第２振動センサ７を固定可能なマグネット（図示せず）を含む。

遊星歯車減速機１０の異常診断を行う場合には、第２振動センサ７の取り付け位置は、遊星歯車減速機１０の発生する振動の影響をできるだけ受けないように、ハウジング１の表面において第１振動センサ８からできるだけ離れた位置に設定することが好ましい。ハウジング１の上面（天面）に第２振動センサ７を取り付けても良い。

なお、上記した第１振動センサ８及び第２振動センサ７の取付位置及び取付態様は一例に過ぎない。例えば、第１振動センサ８又は第２振動センサ７は、ハウジング６又は１にネジによって締結されることもできるし、接着剤などによって貼りつけられることもできる。

第１振動センサ８と第２振動センサ７は、プロセッサ（例えばＣＰＵ）９ａ及び記憶装置（例えばＲＯＭ，ＲＡＭ）９ｂを備えるコントローラ９と通信可能に接続されている。

なお、第１振動センサ８及び第２振動センサ７のそれぞれとコントローラ９との接続は通信ケーブルなどを利用した有線接続でも良いし、無線接続でも良い。コントローラ９はコンピュータやマイクロコンピュータで構成しても良いし、コントローラ９に振動データの波形や診断結果を表示するモニタを接続しても良い。第１振動センサ８と第２振動センサ７からの入力がアナログ信号の場合には、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータをコントローラ９に搭載しても良い。すなわち、異常診断装置３００は、例えば、コントローラ９と接続され診断結果や診断内容を表示するモニタ（例えば後述のモニタ９１，９２，９３）を有していてもよい。

コントローラ９が異常診断に利用する振動データは、第１振動センサ８及び第２振動センサ７のそれぞれで同時に計測されたデータである。すなわち、異常診断に利用される各センサ８，７の振動データの計測開始時刻と計測終了時刻は一致する。例えば、振動データは数kHzから数十kHzで数秒間から数十秒間サンプリングしたデータである。

図４は旋回ベアリング８０周辺の模式的な平面図である。旋回ベアリング８０は、下部走行体７０に固定された内輪８１と、内輪８１の外周側に配置され上部旋回体６０に固定された外輪８２を備えている。内輪８１と外輪８２の間には円周方向に沿って複数のボール（図示せず）が収納されている。

ピニオン１７は内輪８１の内歯１８と噛み合っている。内輪８１の内周側には環状の凹部であるグリースバス４０が配置されており、ピニオン１７はグリースバス４０内のグリースに浸されている。グリースによってグリースバス４０が満たされた状態を確保することで、ピニオン１７や内輪８１の内歯１８の破損が防止される。

油圧モータ２を動力原とする回転トルクがピニオン１７に与えられると、ピニオン１７は内歯１８と噛み合いながら内輪８１の内周に沿って公転し、そのピニオン１７の動作とともに外輪８２が内輪８１の外周側で回転する。これにより下部走行体７０に対して上部旋回体６０が旋回動作する。

図５はコントローラ９によって実行される異常診断処理のフローチャートの一例を示す図である。コントローラ９は記憶装置に記憶されたプログラムと第１振動センサ８を介して取得された振動データとに基づいて図５に示した処理を実行する。

まず、コントローラ９は、ステップ２２１にて第１振動センサ８を介して取得される遊星歯車減速機１０に係る第１振動データを取得する。

次に、コントローラ９は、ステップ２２２にて、ステップ２２１で取得した第１振動データに対してその振幅の外形を取り出すエンベロープ処理（包絡線処理）を行う。

そして、コントローラ９は、ステップ２２３にて、エンベロープ処理後の第１振動データを高速フーリエ変換（FFT：Fast Fourier Transform）によりスペクトル波形に変換する。図６にステップ２２３で第１振動データから得られるスペクトル波形の一例を示す。

図６のスペクトル波形は、第１太陽歯車１１ａが損傷した場合の例を示しており、油圧モータ２のピーク周波数Fmにおけるピーク（ピーク周波数Fmは例えば後述するステップ２０３の処理で算出可能）と、第１太陽歯車１１ａの損傷により特徴周波数ｆｄｓ及びその整数倍の周波数２ｆｄｓに発生した２つのピークが図から確認できる。なお、各歯車に損傷の無い場合（つまり正常時）には、特徴周波数ｆｄ及びその整数倍の周波数ｎｆｄにピークは観測されない。

図６中のFthは、スペクトル波形の周波数に関する所定の閾値（周波数閾値）を示し、Fthとしては例えば５０Hzが選択できる。

ステップ２２４にて、コントローラ９は、ステップ２２３で得たスペクトル波形のＲＭＳ値を演算する。ＲＭＳ値は、信号の二乗値の平均の平方根であり、実効値とも呼ばれる。ＲＭＳ値は、周波数閾値Fth以下の領域（「低周波領域」と称する）において演算することが好ましい。第１振動データが加速度センサによって取得されたものであればＲＭＳ値は加速度ＲＭＳ値となる。

ステップ２２５にて、コントローラ９は、ステップ２２４で演算したＲＭＳ値と所定の閾値Ｖｔｈとの比較を行うグリース状態診断ステップを実行し、ＲＭＳ値が閾値Ｖｔｈより小さければステップ２２６にて異常有り（グリースバス４０内のグリース残量が少ない）と判定し、ＲＭＳ値が閾値Ｖｔｈ以上であればステップ２２７にて異常なし（グリースバス４０内のグリース量は充足している）と判定する。

ステップ２２６では、油圧ショベルのキャブ内に設置されたモニタ等の報知装置を介して、グリースバス４０内のグリースの補充を催促しても良い。図７はグリースバス４０のグリースの補充を促すメッセージや図形を例えばキャブ内のモニタに表示する場合の具体例を示している。図中のモニタ９１は中型油圧ショベル用のモニタを示しており、モニタ９２，９３は鉱山等で利用される超大型油圧ショベル用のモニタを示している。各モニタ９１，９２，９３には、グリースバス４０の油量が低下しており補充が必要なことを示すメッセージ９４と、油圧ショベルに異常が発生していることを示す図形９５と、オペレータがメッセージや図形を確認した場合に押下され、当該メッセージや当該図形を非表示にするトリガーとなるOKボタン９６が表示されている。

（作用・効果）
図８を参照しながら本実施形態の作用・効果について説明する。図８は、油圧ショベルの使用に伴うＲＭＳ値の時間変化の一例として、加速度ＲＭＳの時間変化を模式的に示した図である。まず、油圧ショベルの使用開始直後は加速度ＲＭＳの計測結果が相対的に高い状態にあるが、これは、グリースバス４０がグリースで満たされた状態にあり、ピニオン１７が自転しながらグリースをかき分けてグリースバス４０内を公転する際にグリースから受ける抵抗が大きく、衝突加振のような高周波数領域の振動成分がランダムに発生するためであると考えられる。また、油圧ショベルの使用を継続すると加速度ＲＭＳの計測結果が徐々に低下していくが、これは、長期間に渡って油圧ショベルを利用してグリースを消耗すると、グリースバス４０の油位（グリース量）が下がっていく結果、ピニオン１７が公転する際の抵抗が小さくなり振動成分が減少するためであると考えられる。なお、本実施形態のようにピニオン１７をグリースに浸すグリースバス方式と異なり、歯車にグリースを塗布するグリース方式では、グリース量が減ると油膜が薄くなり、歯車表面が荒れて加速度ＲＭＳが増幅するという本願と逆の現象が見られる。

このような知見に基づき、発明者らはＲＭＳ値に閾値Ｖｔｈを設定し、ＲＭＳ値が当該閾値Ｖｔｈ以下になった場合にはグリース残量が充分ではない、つまり異常状態と判断するように本実施形態の異常診断装置３００を構成するに至った。

すなわち、本実施形態の異常診断装置３００は、油圧モータ２と、油圧モータ２の出力軸４に結合された遊星歯車減速機１０と、遊星歯車減速機１０の出力軸１６に設けられ、旋回ベアリング８０の内歯１８とグリースバス４０内で噛み合うピニオン１７とを備えた旋回装置４００の異常診断装置３００であって、遊星歯車減速機１０のハウジングである減速機ハウジング６に取り付けられ、減速機ハウジング６の振動を検出する第１振動センサ８と、第１振動センサ８による検出結果に基づいて旋回装置４００の異常の有無を判定するプロセッサ９ａとを備え、プロセッサ９ａは、第１振動センサ８によって取得される第１振動データをエンベロープ処理し、当該エンベロープ処理された第１振動データをスペクトル波形に変換し、スペクトル波形のRMS値を演算し、当該RMS値に基づいてグリースバス４０内のグリースの補充の要否（グリース量やグリースの状態とも換言できる）を判定することとした。本実施形態によれば、減速機ハウジング６に取り付けた第１振動センサ８の第１振動データに基づいてグリースバス４０内のグリースの補充タイミングを把握することができ、適切なタイミングでグリースを補充できるようになるので旋回装置ピニオン１７の損傷を抑制できる。特に本構成では、グリースバス４０内にグリース量を検出するセンサを設ける必要がないため、低コストとメンテナンスフリーを容易に実現できる。

なお、本実施形態が採用したエンベロープ処理（ステップ２２２）後のＲＭＳ値の演算（ステップ２２４）は一般に行われることではない。エンベロープ処理は波形の輪郭線を抽出する処理であるため、特定周期で入力される衝撃加振の抽出に向いているが、その一方で、各衝撃加振の激しさは見えなくなる。これに対しＲＭＳ値は一般的に波形の激しさを評価する目的で演算される。つまり、エンベロープ処理後の波形のＲＭＳ値を演算することは、ＲＭＳ値の演算の本来の目的に反するため、エンベロープ処理後にＲＭＳ値を演算することは一般的に行われない。

図８の例では閾値Ｖｔｈが１．５［ｍ／ｓ²］に設定されており、加速度ＲＭＳ値が閾値Ｖｔｈ以下になった時刻Ｔ１にコントローラ９は異常（換言すると、グリースバス４０内のグリースの補充が必要である）と判定し、例えばグリースの補充（グリースアップ）を促すメッセージ９４や図形９５をモニタ９１に表示させる。この表示によりグリースアップの適切なタイミングをオペレータに報知することができ、当該表示を視認したオペレータはグリースバス４０にグリースを補充することで、ピニオン１７が損傷することを防止でき、長期的なダウンタイムを発生させることなく油圧ショベルの利用を再開できる。

なお、図示したＲＭＳ値の閾値Ｖｔｈ＝１．５［ｍ／ｓ²］は一例に過ぎず、安全率の設定傾向や、第１振動センサ８の振動計測条件によるＲＭＳ値のばらつき、油圧ショベルの車格等によって閾値Ｖｔｈは変化し得る。

ところで、ステップ２２４では、スペクトル波形の周波数閾値Fth以下の領域（低周波領域）においてＲＭＳ値を演算することが好ましい。つまり、ＲＭＳ値は低周波領域に絞って算出することが好ましい。この理由は、ステップ２２２のエンベロープ処理で波形の輪郭線を取得したことで既にノイズが低減されており、エンベロープ処理後の波形において周波数閾値Fthを超えた高周波数領域の成分に物理的な意味がなく、ノイズ（誤差）にしかならない高周波数領域の成分をＲＭＳ値に含めることを排除する目的である。すなわち低周波領域に限定してＲＭＳ値を演算するとノイズの混入を防止できるので、グリースの補充タイミングの判定精度を向上できる。なお、低周波領域と高周波領域を区分する周波数閾値Fthの一例は上記の５０［Ｈｚ］であるが、この値は一例に過ぎず、適宜調整が可能である。さらに、複数の周波数領域においてＲＭＳ値を演算し、それらを合算して閾値Ｖｔｈと比較しても良い。

なお、図４に例示したグリースバス４０には、旋回装置ピニオン１７が１つだけ収納されており、１組の旋回油圧モータ２及び遊星歯車減速機１０だけで上部旋回体６０を旋回させているが、油圧ショベルの車格が大きくなるとグリースバス４０内に複数の旋回装置ピニオン１７が収納され、複数組の旋回油圧モータ２及び遊星歯車減速機１０で上部旋回体６０を旋回する場合がある。本実施形態はそのような場合にも適用可能である。ただし、各遊星歯車減速機１０のカバーに取り付けられた第１振動センサ８の全てから振動データをコントローラ９に入力する必要はなく、複数の第１振動センサ８のうちいずれか１つから振動データをコントローラ９に入力すれば足りる。各旋回装置ピニオン１７は同じ環境下でグリースバス４０内を移動するため、１つの第１振動センサのデータでグリース量を判定できるためである。

＜第２実施形態＞
上記の実施形態（第１実施形態）では、コントローラ９を使ってグリースバス４０内のグリースの量（例えば補充の要否）を判断する場合について説明したが、第２振動センサ７を追加するだけで遊星歯車減速機１０の異常診断もコントローラ９で行うことができる。本実施形態ではその具体的方法について説明する。本実施形態の異常診断装置は、減速機ハウジング６に取り付けられる第１振動センサ８と、モータハウジング１に取り付けられる第２振動センサ７と、コントローラ９とを備えている。

図９は本実施形態のコントローラ９によって実行される異常診断処理のフローチャートの一例を示す図である。コントローラ９は記憶装置に記憶されたプログラムと第１振動センサ８及び第２振動センサ７を介して取得された振動データとに基づいて図９に示した処理を実行する。なお、図９中に示したように、第１実施形態で説明した図５のフロー（グリースの補充要否判断フロー）を並行してコントローラ９で実行することが可能である。但し、図５のフローの説明は省略する。

コントローラ９は、ステップ２０１にて第２振動センサ７を介して取得される油圧モータ２に係る第２振動データを取得し、ステップ２０２にて当該第２振動データを高速フーリエ変換（FFT：Fast Fourier Transform）によりスペクトル波形に変換する。図１０に油圧モータ２に係る第２振動データから得られるスペクトル波形の一例を示す。この図に示すようにスペクトル波形は周波数（Frequency）と振幅（Amplitude）によって表される。なお、ステップ２０２で第２振動データを高速フーリエ変換する前の処理として、第２振動データにおける或る周波数領域を除去するフィルタ処理や、第２振動データをエンベロープ波形に変換する包絡線処理等を行っても良い。

ステップ２０３において、コントローラ９は、ステップ２０２で取得したスペクトル波形に基づいて油圧モータ２の振動のピーク周期に対応するピーク周波数Fmを算出する。油圧モータ２のピーク周波数Fmの算出方法としては、ステップ２０２で取得したスペクトル波形において振幅が最大のピークに係る周波数をピーク周波数Fmと特定する方法がある。油圧モータ２の回転時には、図１０に示すように或る周波数Fmにおいてピークが確認でき、これを油圧モータ２のピーク周波数と算出できる。算出したピーク周波数Fmはコントローラ９内の記憶装置に記憶する。

ステップ２０４において、コントローラ９は、ステップ２０３で算出した油圧モータ２のピーク周波数に基づいて油圧モータ２の回転数を算出する。油圧モータ２の回転数はピーク周波数Fmを油圧モータ２のピストン数で除した値として算出できる。

ステップ２０５において、コントローラ９は、ステップ２０４で算出した油圧モータ２の回転数と、第１振動センサ８の近傍に位置する遊星歯車機構３を構成する複数の歯車の数ｎ及び歯数Ｔとに基づいて、当該複数の歯車の特徴周波数ｆｄ、すなわち当該複数の歯車の各々の回転周期をそれぞれ算出する。ここでは第１振動センサ８の近傍に位置するのは第１遊星歯車機構３Ａであるため、第１太陽歯車１１ａ、第１遊星歯車１２ａ及び第１内歯車１３ａの特徴周波数ｆｄｓ，ｆｄｐ，ｆｄｒを算出する。

或る歯車の歯の一部が損傷すると、或る周波数（特徴周波数ｆｄ）において振動が発生する。特徴周波数ｆｄは回転数に依存するため、ステップ２０４で算出した油圧モータ２の回転数から各歯車の特徴周波数を計算する。各歯車１１ａ，１２ａ，１３ａの特徴周波数ｆｄｓ，ｆｄｐ，ｆｄｒは下記式（１）－（３）により演算できる。ここで、ｆは回転周波数、Ｔは各歯車の歯数、ｎは遊星歯車の数であり、添え字ｓ，ｐ，ｒはそれぞれ太陽歯車、遊星歯車、内歯車を意味する。第１太陽歯車１１ａの回転周波数ｆｓはステップ２０４で算出した油圧モータ２の回転数から演算できる。

なお、特徴周波数ｆｄの代わりに、噛み合い周波数ｆｚを算出しても良い。噛み合い周波数ｆｚは、１秒間に歯車の歯が噛み合う回数を示し、遊星歯車減速機１０の場合には下記式（４）により演算できる。

また、コントローラ９は、ステップ２０６にて第１振動センサ８を介して取得される遊星歯車減速機１０に係る第１振動データを取得し、ステップ２０７にて当該第１振動データを高速フーリエ変換（FFT）によりスペクトル波形に変換する。図１１に遊星歯車減速機１０に係る第１振動データから得られるスペクトル波形の一例を示す。なお、ステップ２０７で第１振動データを高速フーリエ変換する前の処理として、第１振動データにおける或る周波数領域を除去するフィルタ処理や、第１振動データをエンベロープ波形に変換する包絡線処理等を行っても良い。

図６のスペクトル波形は、第１太陽歯車１１ａが損傷した場合の例を示しており、ステップ２０３で算出した油圧モータ２のピーク周波数Fmにおけるピークと、第１太陽歯車１１ａの損傷により特徴周波数ｆｄｓ及びその整数倍の周波数２ｆｄｓに発生した２つのピークが確認できる。なお、各歯車に損傷の無い場合（つまり正常時）には、特徴周波数ｆｄ及びその整数倍の周波数ｎｆｄにピークは観測されない。また、歯車の損傷が酷く、発生する振動が大きい場合には、油圧モータ２のスペクトル波形においても特徴周波数にピークが観測されることがある。この点に関して本実施形態の第１太陽歯車１１ａの損傷による振動は微少であるため、図１０の油圧モータ２のスペクトル波形において特徴周波数ｆｄｓのピークはほぼ観測されない。

ステップ２０８において、コントローラ９は、ステップ２０７で第１振動データを変換して得たスペクトル波形から、ステップ２０３で演算した油圧モータ２のピーク周波数Fmにおけるピークを探索し、ピークが発見された場合には当該ピークを除去する。すなわち図１１の例では破線で囲んだ周波数Fmにおける振幅をゼロにしてピークを除去する。特徴周波数ｆｄと油圧モータ２のピーク周波数Fmが接近している場合、後続するステップ２０９で算出（抽出）する特徴周波数振幅にピーク周波数Fmの振幅が含まれて診断を誤る可能性がある。しかし、本実施形態のようにピーク周波数Fmにおけるピークを除去すれば、残ったスペクトル波形において各歯車の特徴周波数ｆｄでのピークの発生の有無を容易に判別できるので、油圧モータ２の回転により生じるノイズの影響を低減でき、結果的に異常診断の精度が向上する。なお、ピークを除去する周波数はピーク周波数Fmのみに限らず、ピーク周波数Fmの前後の所定の範囲の周波数を対象にしても良い。また、各歯車に損傷が無い正常時における、遊星歯車減速機１０の振動のスペクトル波形（但し、油圧モータ２のピーク周波数Fmは除去済み）の一例を図１２に示す。

ステップ２０９において、コントローラ９は、ステップ２０８でピーク除去したスペクトル波形からステップ２０５で算出した各特徴周波数ｆｄｓ，ｆｄｐ，ｆｄｒにおける振幅を抽出する。このとき各特徴周波数ｆｄｓ，ｆｄｐ，ｆｄｒの整数倍の周波数における振幅をさらに抽出しても良い。振幅の抽出に際しては、算出した油圧モータ２の回転数の誤差を考慮して、抽出対象の周波数±数Hzの範囲において最大のピークを探索し、当該最大のピークの振幅を当該抽出対象の周波数における振幅としても良い。

ステップ２１０において、コントローラ９は、ステップ２０９で抽出した各特徴周波数ｆｄｓ，ｆｄｐ，ｆｄｒにおける振幅を各特徴周波数に紐付くしきい値Ａｔｓ，Ａｔｐ，Ａｔｒと比較する。この比較の結果、コントローラ９は、振幅がしきい値Ａｔ以下であれば異常なしと診断し（ステップ２１２）、振幅がしきい値Ａｔより大きければその特徴周波数ｆｄに紐づく歯車が損傷した（異常あり）と診断する（ステップ２１１）。しきい値Ａｔは予め設定された値である。しきい値Ａｔは、実験から求める方法、正常時の振幅値またはその整数倍とする方法、機械学習により求める方法などが考えられる。しきい値Ａｔは特徴周波数ごとに異なることもある。

図１１の減速機１０のスペクトル波形の例では、ステップ２０９で第１太陽歯車１１ａの特徴周波数ｆｄｓ及びその２倍の周波数２ｆｄｓにおける振幅にピークが発見される。発見された各ピークの振幅としきい値Ａｔｓとの比較がステップ２１０で行われ、発見された各ピークの振幅がしきい値Ａｔｓよりも大きいので第１太陽歯車１１ａが損傷しているという診断が下される（ステップ２１１）。

（効果）
以上のように本実施形態では、油圧モータ２及び油圧モータ２の出力軸４に結合された遊星歯車減速機３によって駆動される油圧ショベル１００における遊星歯車減速機３の異常診断装置３００に、遊星歯車減速機３のハウジングである減速機ハウジング６に取り付けられ、減速機ハウジング６の振動を検出する第１振動センサ８と、油圧モータ２のハウジングであるモータハウジング１に取り付けられ、モータハウジング１の振動を検出する第２振動センサ７と、第１振動センサ８及び第２振動センサ７による検出結果に基づいて遊星歯車減速機３に含まれる複数の歯車１１，１２，１３の異常の有無を判定するプロセッサ（コントローラ９）とを備えた。そして当該プロセッサ（コントローラ９）が、第２振動センサ７によって取得される第２振動データから油圧モータ２の振動のピーク周期に対応するピーク周波数Fm及び油圧モータ２の回転数を演算し、油圧モータ２の回転数と、複数の歯車１１，１２，１３の数及び当該複数の歯車１１，１２，１３の各々の歯数と、に基づいて、複数の歯車１１，１２，１３の回転周期に対応する特徴周波数ｆｄをそれぞれ演算し、油圧モータ２のピーク周波数Fmと、第１振動センサ８によって取得される第１振動データの特徴周波数における振幅と、に基づいて、複数の歯車１１，１２，１３の異常の有無を判定することとした。

つまり、本実施形態の異常診断装置３００及びこれを含む油圧ショベル（建設機械）１００では、油圧モータ２のハウジング１に第２振動センサ７を取り付け、この第２振動センサ７を利用して取得される第２振動データを利用することで油圧モータ２のピーク周波数Fmを演算し、演算したピーク周波数Fmから油圧モータ２の回転数を演算することを実現した。すなわち油圧モータ２の回転数を回転数センサ等で直接的に取得することなく第２振動データを利用することで算出した。そして、演算した油圧モータ２の回転数を利用して各歯車の特徴周波数ｆｄを演算し、第１振動センサ８を利用して取得されるスペクトル波形において油圧モータ２のピーク周波数における振幅を除去することで、油圧モータ２に連結された遊星歯車減速機１０の特徴周波数ｆｄに基づく歯車の異常診断を実現した。すなわち、本実施形態の異常診断装置は、回転数データの直接的な取得が難しい建設機械の油圧モータに連結される遊星歯車減速機において、第２振動センサ７を利用して油圧モータ２の回転数を演算することができるので、建設機械向けの遊星歯車減速機の異常診断を容易に行うことができる。

特に、本実施形態の異常診断装置は、第１実施形態のハードウェア構成に第２振動センサ７を追加し、コントローラ９が実行する演算処理を追加するだけで構成可能であり、ほぼ同じハードウェア構成で遊星歯車減速機１０と旋回装置ピニオン１７の異常を診断できる点で従前の異常診断装置に比して顕著な効果を発揮するものである。

なお、上記では第１遊星歯車機構３Ａの近傍に第１振動センサ８を取り付けた場合について説明したが、第２遊星歯車機構３Ｂの近傍に第１振動センサ８を取り付けて第２遊星歯車機構３Ｂに含まれる歯車の異常診断を行っても良いことは言うまでも無い。

また、図９等ではステップ２０５で各歯車の特徴周波数ｆｄを演算したが、特定の歯車の特徴周波数ｆｄのみを演算しても良い。この場合、ステップ２０９では当該特定の歯車の特徴周波数ｆｄの振幅と当該特徴周波数ｆｄの整数倍の周波数の振幅を抽出し、ステップ２１０では抽出した振幅としきい値の比較を行うことで当該特定の歯車の異常の有無を判断しても良い。

また、上記では油圧モータ２と遊星歯車減速機１０のハウジング１，６に２つの振動センサ７，８が取り付けられた図２を用いて説明したが、この２つの振動センサ７，８はハウジング１，６に常時取り付けておく必要はない。すなわちメンテナンスのときにだけ２つの振動センサ７，８をハウジング１，６に取り付けるようにしても良い。

本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

上記の実施形態では、油圧モータを備える旋回装置を例示したが、油圧モータの代わりに電動モータを利用しても良いし、油圧モータと電動モータのハイブリッド式モータを利用しても良い。

また、上記のコントローラ９に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、コントローラ９に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることでコントローラ９の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

また、上記の各実施の形態の説明では、制御線や情報線は、当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。

１…ハウジング（モータハウジング），２…油圧モータ（旋回油圧モータ），３…遊星歯車機構，４…出力軸，５…軸受，６…ハウジング（減速機ハウジング），７…第２振動センサ，８…第１振動センサ，９…コントローラ，９ａ…プロセッサ，１０…遊星歯車減速機，１１ａ…第１太陽歯車，１１ｂ…第２太陽歯車，１２ａ…第１遊星歯車，１２ｂ…第２遊星歯車，１３ａ…第１内歯車，１３ｂ…第２内歯車，１４ａ…第１遊星歯車ピン，１４ｂ…第２遊星歯車ピン，１５ａ…第１キャリア，１５ｂ…第２キャリア，１６…出力軸（回転軸），１７…ピニオン，１８…内歯，３０…フロント作業装置（作業装置），４０…グリースバス，６０…上部旋回体，６１…旋回フレーム，８０…旋回ベアリング，８１…内輪，８２…外輪，１００…油圧ショベル，３００…異常診断装置

Claims (8)

1. モータと、前記モータの出力軸に結合された遊星歯車減速機と、前記遊星歯車減速機の出力軸に設けられ、旋回ベアリングの内歯とグリースバス内で噛み合うピニオンとを備えた旋回装置の異常診断装置であって、
   前記遊星歯車減速機のハウジングである減速機ハウジングに取り付けられ、前記減速機ハウジングの振動を検出する第１振動センサと、
   前記第１振動センサによる検出結果に基づいて前記旋回装置の異常の有無を判定するプロセッサとを備え、
   前記プロセッサは、
   前記第１振動センサによって取得される第１振動データをエンベロープ処理し、
   当該エンベロープ処理された前記第１振動データをスペクトル波形に変換し、
   前記スペクトル波形のRMS値を演算し、
   前記RMS値に基づいて前記グリースバス内のグリースの量を判定する
   ことを特徴とする旋回装置の異常診断装置。
2. 請求項１の旋回装置の異常診断装置において、
   前記プロセッサは、前記RMS値が所定の閾値以下のとき、前記グリースバス内のグリースの量が補充が必要な量まで減少していると判定することを特徴とする旋回装置の異常診断装置。
3. 請求項１の旋回装置の異常診断装置において、
   前記プロセッサは、前記スペクトル波形の所定周波数以下の領域において前記RMS値を演算することを特徴とする旋回装置の異常診断装置。
4. 請求項２の旋回装置の異常診断装置において、
   前記プロセッサは、前記グリースバス内のグリースの補充が必要であると判定したとき、その旨をモニタに表示することを特徴とする旋回装置の異常診断装置。
5. 請求項３の旋回装置の異常診断装置において、
   前記所定周波数が５０Hｚであることを特徴とする旋回装置の異常診断装置。
6. 請求項１の旋回装置の異常診断装置において、
   前記第１振動センサは、加速度センサであり、
   前記プロセッサは、前記RMS値として加速度RMS値を演算することを特徴とする旋回装置の異常診断装置。
7. 請求項１の旋回装置の異常診断装置において、
   前記モータのハウジングであるモータハウジングに取り付けられ、前記モータハウジングの振動を検出する第２振動センサと、
   前記プロセッサは、
   前記第２振動センサによって取得される第２振動データから前記モータの振動のピーク周期に対応するピーク周波数及び前記モータの回転数を演算し、
   前記モータの回転数と、前記遊星歯車減速機に含まれる複数の歯車の数及び当該複数の歯車の各々の歯数と、に基づいて、前記複数の歯車の回転周期に対応する特徴周波数をそれぞれ演算し、
   前記モータの前記ピーク周波数と、前記第１振動センサによって取得される第１振動データの前記特徴周波数における振幅と、に基づいて、前記複数の歯車の異常の有無を判定する
   ことを特徴とする旋回装置の異常診断装置。
8. 旋回体を駆動するモータと、
   前記モータの出力軸に連結された遊星歯車減速機と、
   前記遊星歯車減速機の出力軸に設けられたピニオンと、
   グリースバス内で前記ピニオンと噛み合い前記ピニオンによって駆動される内輪を有する旋回輪を備えた旋回装置と、
   前記旋回装置によって駆動される旋回体と、
   前記旋回装置を介して前記旋回体を旋回可能に支持する走行体と、
   前記遊星歯車減速機を覆う減速機ハウジングに取り付けられた第１振動センサと、
   前記第１振動センサによる検出結果に基づいて前記旋回装置の異常の有無を判定するコントローラとを備えた建設機械において、
   前記コントローラは、
   前記第１振動センサによって取得される第１振動データをエンベロープ処理し、
   当該エンベロープ処理された前記第１振動データをスペクトル波形に変換し、
   前記スペクトル波形のRMS値を演算し、
   前記RMS値に基づいて前記グリースバス内のグリースの状態を判定する
   ことを特徴とする建設機械。

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