JP6320185B2 - ショベル支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、作業内容及び作業環境と、稼働中のショベルとの組み合わせの不適合（ミスマッチ）の検出を支援するショベル支援装置に関する。

稼働中の油圧ショベルが最適機種であるかどうかを判別するショベルの管理システムが公知である（例えば、下記の特許文献１）。この管理システムにおいては、油圧ショベルのエンジン、フロント作業機（ブーム、アーム、バケット）、旋回体、走行体のそれぞれの累積稼働時間が、油圧ショベルごとにデータベースに格納される。データベースに格納されたデータに基づいて、特定の油圧ショベルの使用状態に関する指標（例えば走行比率）と、同機種の油圧ショベルについての指標に対する稼働台数の分布が求められる。両者を比較することによって、特定の油圧ショベルが最適機種であるか否かが判別される。

国際公開第２００１／７３２２６号

上述の従来方法では、特定の油圧ショベルが、現在の作業内容や作業環境に適合しているか否かを精度よく判別することが困難である。本発明の目的は、稼働中のショベルが、現在の作業内容や作業環境に適合しているか否かを精度よく判別することが可能となるショベル支援装置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、
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、評価対象のショベルの複数の部品ごとに蓄積された累積損傷度に基づいて、前記評価対象のショベルに対する評価値の時刻歴を取得し、累積損傷度の前記評価値を、評価対象の前記ショベルがミスマッチ状態であるか否かを判定するための、稼働時間とともに増加する判定閾値と比較し、前記評価値が前記判定閾値を超えている場合に、評価対象の前記ショベルがミスマッチ状態であることを通知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、
画像を表示する表示画面と、
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、評価対象のショベルの複数の部品ごとに蓄積された累積損傷度に基づいて、前記評価対象のショベルに対する評価値の時刻歴を取得し、累積損傷度の前記評価値を、評価対象の前記ショベルがミスマッチ状態であるか否かを判定するための、稼働時間とともに増加する判定閾値とともに、前記表示画面に時系列で表示するショベル支援装置が提供される。

累積損傷度の評価値が、評価対象のショベルがミスマッチ状態であるか否かを判定するための、稼働時間とともに増加する判定閾値とともに時系列で表示されるため、稼働中の
ショベルが、現在の作業内容や作業環境に適合しているか否かを精度よく判別することが可能となる。

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２Ａ及び図２Ｂは、ショベル支援装置の支援対象となるショベルの側面図である。 図３は、ショベルのブロック図である。 図４は、実施例によるショベル支援装置、ショベル、及び管理装置の間で行われる通信の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を示す図である。 図８は、ショベル支援装置の表示画面に表示された画像を示す図である。 図９は、ショベル支援装置の表示画面に表示された画像を示す図である。 図１０は、実施例によるショベル支援装置、ショベル、及び管理装置の間で行われる通信の他のシーケンスを示す図である。 図１１は、ショベル支援装置の表示画面に表示された画像を示す図である。 図１２は、ショベル支援装置の表示画面に表示された画像を示す図である。 図１３は、他の実施例によるショベル支援装置、ショベル、及び管理装置の間で行われる通信のシーケンスを示す。 図１４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のシーケンスを示す。 図１５は、累積損傷度の評価値を算出する方法のフローチャートである。 図１６Ａ〜図１６Ｄ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１７Ａ〜図１７Ｃは、それぞれショベルの動作中におけるブーム用の油圧シリンダ内の油圧、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１８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１９は、ショベルの部品の１つの評価点Ｅｐに加わる応力の時間波形の一例を示すグラフである。 図２０は、Ｓ−Ｎ線図の一例を示すグラフである。

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（支援対象）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とショベル支援装置３０とが、通信回線７０を経由せず、直接通信することも可能である。

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、累積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（機体番号）、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と通信する機能を有する。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２Ａ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、それぞれ油圧シリンダ８８、８９、及び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。

油圧シリンダ８８、８９、及び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、油圧シリンダ８８、８９、及び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、油圧シリンダ８８、８９、及び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、油圧シリンダ８８、８９、及び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２Ｂに示すように、バケット８７（図２Ａ）に代えて、油圧駆動されるブレーカ８７Ａが取付けられる場合もある。バケット８７とブレーカ８７Ａとは、作業内容に応じて、適切に選択される。

図３に、ショベル２０（図１、図２Ａ、図２Ｂ）のブロック図を示す。エンジン１１０の駆動軸がトルクコンバータ１２１を介してメインポンプ１２２の駆動軸に連結されている。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、旋回モータ８３、油圧シリンダ８８、８９、及び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２Ａ、図２Ｂ）に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。

油圧シリンダ８８、８９、及び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。

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、及びバケット８７（図２Ａ）またはブレーカ８７Ａ（図２Ｂ）を含むアタッチメントに対する操作の状況を検知することができる。

図４に、実施例によるショベル支援装置３０、ショベル２０、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２Ａ、図２Ｂ）、荷重センサ９２（図２Ａ、図２Ｂ）、及び旋回角センサ８４（図２Ａ、図２Ｂ）の測定結果、ＧＰＳ受信機２３（図１）で取得された現在位置情報、機体番号、作業年月日、作業内容等が含まれる。

作業内容には、平地掘削、高所掘削、岩盤掘削、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等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。

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る累積損傷度を算出する。累積損傷度の算出には、記憶装置６３に格納されている現時点までの稼働情報または累積損傷度等が利用される。累積損傷度は、例えば
、部品の各評価箇所に加わる応力波形を、累積疲労損傷則に基づいて解析することにより求めることができる。ショベルの部品内の評価箇所ごとに求められた累積損傷度は、記憶装置６３に格納される。記憶装置６３には、過去の評価時点及び現時点の累積損傷度が格納されている。算出された累積損傷度の結果を、「評価値ＤＥ」ということとする。累積損傷度の具体的な算出方法の一例については、後に、図１５〜図２０を参照して説明する。

記憶装置６３には、累積損傷度の評価値ＤＥの時刻歴の他に、ショベルの機体ごとに、メンテナンス時期情報、及び評価時点における作業内容が格納されている。さらに、評価時点ごとに、累積損傷度の評価値ＤＥが最大値を示す評価箇所の情報が、記憶装置６３に格納されている。

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、累積損傷度の評価値ＤＥの時刻歴、メンテナンス時期情報、作業内容履歴、及び累積損傷度が最大値を示す部品内の評価箇所の情報を、ショベル支援装置３０に送信する。

ショベル支援装置３０の入力装置３２（図１）から、ショベルの目標寿命が入力される。ショベル支援装置３０は、入力された目標寿命に基づいて、累積損傷度の指標値ＤＴの推移を算出する。例えば、累積損傷度の指標値ＤＴは、累積稼働時間に対して線形に増加する。累積損傷度の指標値ＤＴは、累積稼働時間が目標寿命に達した時点で、疲労破壊が発生すると考えられる値（以下、「限界値ＤＬ」という。）に達する。

さらに、ショベル支援装置３０は、あるメンテナンス時期における累積損傷度の評価値ＤＥ、その次のメンテナンス時期までの稼働時間、及び累積損傷度の限界値ＤＬに基づき、累積損傷度の上限値ＤＵの推移を算出する。累積損傷度の上限値ＤＵは、あるメンテナンス時期において、累積損傷度の評価値ＤＥに一致し、稼働時間に対して線形に増加する。その次のメンテナンス時期において、累積損傷度の上限値ＤＵが、限界値ＤＬに到達する。上限値ＤＵは、次回のメンテナンス時期までに、累積損傷度が限界値ＤＬに到達するか否かの判定基準となる

目標寿命が入力されると、ショベル支援装置３０は、累積損傷度の評価値ＤＥを、指標値ＤＴ及び上限値ＤＵと共に、表示画面３１（図１）に時系列で表示する。さらに、累積稼働時間と対応付けて、作業内容、累積損傷度が最大値を示す部品及び評価箇所が表示される。

図５に、ショベル支援装置３０の表示画面３１に表示された画像を示す。ショベルの機体番号が文字で表示されるとともに、累積損傷度の評価値ＤＥ、指標値ＤＴ、上限値ＤＵが、グラフで表示される。このグラフの横軸はショベルの累積稼働時間を表し、縦軸は累積損傷度を表す。累積稼働時間を表す横軸に、メンテナンス時期Ｔ０〜Ｔ３、及び目標寿命ＴＬが表示されている。現時点が、メンテナンス時期Ｔ１に相当する。累積損傷度を表す縦軸に、初期値及び累積損傷度の限界値ＤＬが表されている。初期値は０であり、限界値ＤＬは１である。メンテナンス時期Ｔ０は、ショベルの出荷時に対応する。従って、メンテナンス時期Ｔ０における累積損傷度の評価値ＤＥは、初期値０に等しい。累積損傷度の評価値ＤＥは、稼働時間の経過とともに単調に増加する。

累積損傷度の指標値ＤＴ及び上限値ＤＵは、メンテナンス時期Ｔ０において初期値０に等しく、累積稼働時間の増加にともなって線形に増加する。目標寿命ＴＬにおいて、累積損傷度の指標値ＤＴが限界値ＤＬに達する。メンテナンス時期Ｔ０からＴ１までの期間の累積損傷度の上限値ＤＵは、メンテナンス時期Ｔ０において評価値ＤＥに一致し、次のメ
ンテナンス時期Ｔ１において限界値ＤＬに一致する。メンテナンス時期Ｔ１からＴ２までの期間の累積損傷度の上限値ＤＵは、メンテナンス時期Ｔ１において評価値ＤＥに一致し、次のメンテナンス時期Ｔ２において限界値ＤＬに一致する。

累積損傷度の評価値ＤＥが、指標値ＤＴ以下の領域で推移している場合には、現在の作業内容を継続することにより、支援対象のショベル２０を目標寿命ＴＬまで安全に使用可能であると予測される。累積損傷度の評価値ＤＥが指標値ＤＴを超えると、ショベルを目標寿命ＴＬまで使用できない可能性が高まる。累積損傷度の評価値ＤＥが上限値ＤＵを超えると、次回のメンテナンス時期までにショベルの部品が破損してしまう危険性が高くなる。図５に示した例では、メンテナンス時期Ｔ０からＴ１までの全期間に亘って、累積損傷度の評価値ＤＥが指標値ＤＴ以下である。このため、現在の作業内容をこのまま継続することにより、目標寿命ＴＬまでショベル２０を使用できる可能性が高いと判断される。

累積稼働時間に対応させて、作業内容、累積損傷度の評価値ＤＥが最大値を示す部品及び評価箇所が表示される。図５では、メンテナンス時期Ｔ０からＴ１までの間の作業内容が「平地掘削」であり、評価値ＤＥが最大値を示す部品及び評価箇所が、それぞれ「ブーム」及び「ブラケット部」である例を示している。

図６に、図５に示した時点から、次のメンテナンス時期Ｔ２までショベルを稼働させたときに、メンテナンス時期Ｔ２においてショベル支援装置３０の表示画面３１に表示される画像を示す。直前のメンテナンス時期Ｔ１から、その次のメンテナンス時期Ｔ２までの期間において、累積損傷度の上限値ＤＵは、メンテナンス時期Ｔ１における評価値ＤＥ、その次のメンテナンス時期Ｔ２、及び限界値ＤＬに基づいて算出される。具体的には、メンテナンス時期Ｔ１において、上限値ＤＵが評価値ＤＥに一致し、累積稼働時間とともに線形に増加し、メンテナンス時期Ｔ２において、上限値ＤＵが限界値ＤＬに一致する。

図６に示したように、メンテナンス時期Ｔ１からＴ２までの期間においても、累積損傷度の評価値ＤＥが、指標値ＤＴ以下である。このため、メンテナンス時期Ｔ２以降も、同一の作業内容を継続することにより、ショベル２０を目標寿命ＴＬまで使用できる可能性が高いと判断される。

図７に、他の作業を行っているショベル２０に対応するショベル支援装置３０の表示画面３１に表示される画像の例を示す。以下、図５に示した例との相違点について説明する。図７に示した例では、メンテナンス時期Ｔ０からＴ１までの期間の作業内容が「高所掘削」である。高所掘削を行う場合には、図５に示した平地掘削を行う場合に比べて、アタッチメントの部位によっては、より大きな負荷が加わる。例えば、ブーム８５（図２Ａ、図２Ｂ）のブラケット部に、より大きな負荷が加わる。この場合、累積損傷度の評価値ＤＥの増加の傾きが、図５に示した例に比べて大きくなる。

図７に示した例では、メンテナンス時期Ｔ０からＴ１までの期間において、累積損傷度の評価値ＤＥが、指標値ＤＴを超えている。このため、現在の作業内容を継続すると、累積稼働時間が目標寿命ＴＬに到達する前に、ショベル２０のブームのブラケット部が破損してしまう可能性が高い。このように、評価値ＤＥが指標値ＤＴを超えている場合、ショベルの機種が、作業環境及び作業内容に対してミスマッチであると判定される。ミスマッチであると判定された場合には、ショベル支援装置３０は、操作者またはショベルの管理者に、ミスマッチであることを通知する。例えば、表示画面３１に、「ミスマッチ状態」という文字列が表示される。ショベル２０を目標寿命ＴＬまで使用するためには、ショベル２０の作業内容を、ブームのブラケット部に加わる負荷がより小さい作業内容に変更することが好ましい。

図８に、図７に示したメンテナンス時期Ｔ１において、ショベルの作業内容を「積み込み」に変更した場合に、ショベル支援装置３０の表示画面３１に表示される画像の例を示す。表示画面３１に表示された作業内容が、メンテナンス時期Ｔ１において、「高所掘削」から「積み込み」に変わっている。積み込み作業では、高所掘削作業に比べて、ブームのブラケット部に加わる負荷が小さい。このため、メンテナンス時期Ｔ１以降は、メンテナンス時期Ｔ０からＴ１までの期間に比べて、累積損傷度の評価値ＤＥの増加の傾きが緩やかになる。

積み込み作業においては、ブームのブラケット部に加わる負荷より、フート部に加わる負荷の方が大きくなる場合がある。この場合、累積稼働時間がＴａに達した時点で、フート部の累積損傷度の評価値ＤＥが、ブラケット部の累積損傷度の評価値ＤＥを超える。累積稼働時間がＴａを超えた期間においては、グラフに表示される累積損傷度の評価値ＤＥとして、フート部の評価値ＤＥが採用される。

図８に示した例では、メンテナンス時期Ｔ１からＴ２までの期間、累積損傷度の評価値ＤＥが指標値ＤＴを超えているが、評価値ＤＥの傾きは、指標値ＤＴの傾きより小さい。このため、累積稼働時間の増加とともに、評価値ＤＥが指標値ＤＴに近づくと予測される。このため、メンテナンス時期Ｔ２以降も、メンテナンス時期Ｔ２以前と同じ積み込み作業を継続することが可能であると判断される。このように、指標値ＤＴと評価値ＤＥとの大小関係のみならず、評価値ＤＥの傾きと指標値ＤＴの傾きとを比較して、ミスマッチの有無を判定してもよい。例えば、図８の例では、ショベルの機種は、現在の作業環境及び作業内容に対してミスマッチではないと判定される。

図９に、メンテナンス時期Ｔ３まで作業を継続した場合に、ショベル支援装置３０の表示画面３１に表示される画像の例を示す。累積稼働時間がＴｂに達した時点で、累積損傷度の評価値ＤＥが、指標値ＤＴに一致し、それ以降は、評価値ＤＥが指標値ＤＴを下回っている。このため、目標寿命ＴＬまで積み込み作業を継続することが可能であると予測される。

図７〜図９に示した例では、メンテナンス時期Ｔ１の段階で、現在稼働中のショベル２０の機種と、現在の作業内容及び作業環境とが不適合（ミスマッチ）であると判定される。すなわち、現在の作業環境で現在の作業内容を継続すると、目標寿命ＴＬまでショベル２０を使用することができないと予測される。しかしながら、このショベル２０を、より軽負荷の作業に配置転換すれば、目標寿命ＴＬまで使用することが可能になる。作業内容が掘削である場合、作業環境には、掘削対象の硬さ等が含まれる。作業内容が積み込みである場合、作業環境には、積み込み対象物の重量等が含まれる。

図７に示したメンテナンス時期Ｔ０からＴ１までの累積損傷度の評価値ＤＥの推移から、現在使用しているショベル２０の機種では、現在の作業環境で高所掘削作業を行うには、耐久性が不足していることがわかる。高所掘削作業に、より耐久性の高い機種を割り当てることにより、作業環境及び作業内容と、ショベルの機種とのミスマッチを解消することが可能になる。

ショベル２０の機種を変更する代わりに、累積損傷度の評価値ＤＥが最大値を示している部品、例えばブームを、より耐久性の高い高剛性タイプのものに取り替えることも有効である。または、累積損傷度の評価値ＤＥが最大値を示している評価箇所、例えばブームのブラケット部を補強することも有効である。

図５〜図９では、定期的なメンテナンス時期Ｔ１〜Ｔ３に、累積損傷度の評価値ＤＥの時刻歴を表示させたが、定期的なメンテナンス時期に限らず、より短い周期で、累積損傷
度の評価値ＤＥの時刻歴を表示させてもよい。ショベル支援装置３０の取扱者が、ショベル支援装置３０の入力装置３２（図１）を操作することにより、図４に示したデータ転送要求コマンドの送信が開始される。

上記実施例では、ショベルが、作業環境及び作業内容に対してミスマッチ状態であるか否かを判定するための判定閾値として指標値ＤＴ及び上限値ＤＵを採用した。一例として、累積損傷度の評価値ＤＥが判定閾値を超えている場合に、ミスマッチ状態であると判定することができる。この判定閾値として、上述の指標値ＤＴ及び上限値ＤＵ以外に、稼働時間とともに増加する他の値を採用してもよい。例えば、指標値ＤＴ及び上限値ＤＵは、稼働時間に対して線形に増加するが、判定閾値を、稼働時間に対して曲線的、例えば二次関数的に増加させてもよい。判定閾値の適切な増加の傾向は、経験則から見出すことができる。

図１０に、実施例によるショベル支援装置３０、ショベル２０、及び管理装置６０の間で行われる通信の他のシーケンスを示す。以下、図４に示した処理との相違点について説明し、同一の処理については説明を省略する。

管理装置６０が、図４に示した処理と同様に、ショベル２０から稼働情報を受信し、累積損傷度の評価値ＤＥを求める。管理装置６０に、図５に示した累積損傷度の上限値ＤＵが記憶されている。管理装置６０は、累積損傷度の評価値ＤＥと、上限値ＤＵとを比較する。累積損傷度の評価値ＤＥが上限値ＤＵ以上になったことを検出すると、評価対象のショベル２０に対応するショベル支援装置３０に、注意喚起メッセージを送信する。注意喚起メッセージには、ショベル２０の機体番号、累積損傷度の評価値の時刻歴、累積損傷度の上限値ＤＵ、メンテナンス時期情報、作業内容履歴、累積損傷度の評価値が最大値を示す部品と評価箇所の情報を含む。

ショベル支援装置３０は、注意喚起メッセージを受信すると、表示画面３１（図１）に、注意喚起メッセージを受信したことを通知するとともに、目標寿命ＴＬの入力を促す。ショベル支援装置３０に目標寿命ＴＬが入力されると、ショベル支援装置３０は表示画面３１（図１）に、累積損傷度の評価値ＤＥ、指標値ＤＴ、及び上限値ＤＵを、グラフで表示する。

図１１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。メンテナンス時期Ｔ０から累積稼働時間Ｔａ（現時点）までのショベル２０の作業内容は、岩盤掘削であり、ブームのブラケット部において、累積損傷度の評価値ＤＥが最大値を示す。累積稼働時間Ｔａにおいて、直近に算出された累積損傷度の評価値ＤＥが上限値ＤＵに達している。このまま岩盤掘削を継続すると、次回のメンテナンス時期Ｔ１よりも前に、累積損傷度の評価値ＤＥが限界値ＤＬを超えてしまう危険性が高い。すなわち、次回のメンテナンス時期Ｔ１よりも前に、ブームのブラケット部に損傷が発生してしまう危険性が高い。このように、評価値ＤＥが上限値ＤＵを超えている場合、ショベル支援装置３０は、操作者またはショベルの管理者に、ミスマッチであることを通知する。例えば、表示画面に、「ミスマッチ状態」という文字列が表示される。

ショベル支援装置３０に表示されたグラフは、ショベル２０の管理者に、ブームのブラケット部に加わる負荷が小さな作業内容へ、ショベル２０の配置転換を行うよう促す。

図１２に、メンテナンス時期Ｔ１において、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。累積損傷度の評価値ＤＥが上限値ＤＵに達した時点から、ショベル２０の作業内容が平地掘削に変更されている。これにより、ブームのブラケット部に蓄積される累積損傷度の上昇の傾きが緩やかになる。メンテナンス時期Ｔ１において、
累積損傷度の評価値ＤＥは、限界値ＤＬに達していない。累積稼働時間がＴａの時点で、ショベル２０の作業内容を岩盤掘削から平地掘削に変更したことにより、ブームのブラケット部の破損が防止されている。

メンテナンス時期Ｔ１以降も、平地掘削の作業を継続すると、累積損傷度の評価値ＤＥが指標値ＤＴを超えてしまう。ただし、評価値ＤＥの傾きは、上限値ＤＵの傾きよりも緩やかであることがわかる。従って、累積損傷度の評価値ＤＥが直ちに限界値ＤＬに到達してしまうことはないと予測される。図１２に示されたグラフは、ショベル２０の管理者が、ショベル２０の作業内容を変更すべきか、平地掘削の作業を継続してもよいかを判断するための有益な情報となる。

図１３に、他の実施例によるショベル支援装置３０、ショベル２０、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。以下、図４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４に示した実施例では、管理装置６０が累積損傷度の評価値ＤＥを求める計算を行ったが、図１３に示した実施例では、ショベル支援装置３０が累積損傷度の評価値ＤＥを求める計算を行う。管理装置６０には、ショベル２０の機体ごとに、累積損傷度の過去の評価値ＤＥが時系列で蓄積されている。

ショベル支援装置３０が、ショベル２０から稼働情報を受信する。ショベル支援装置３０は、ショベル２０から稼働情報を受信すると、管理装置６０に、評価対象のショベル２０の累積損傷度の過去の評価値ＤＥの転送を要求する。管理装置６０は、記憶装置６３から累積損傷度の評価値ＤＥ等を読み出し、ショベル支援装置３０にデータを送信する。このデータには、累積損傷度の評価値ＤＥの時刻歴、メンテナンス時期情報、作業内容履歴、累積損傷度の評価値が最大値を示す部品及び評価箇所の情報が含まれる。

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、累積損傷度の評価値ＤＥを求める。さらに、ショベル２０の目標寿命ＴＬの入力を促す。ショベル２０の目標寿命ＴＬが入力されると、ショベル支援装置３０は、累積損傷度の評価値ＤＥを、指標値ＤＴ及び上限値ＤＵと共に、表示画面３１（図１）に時系列で表示する。さらに、稼働時間と対応付けて、作業内容、累積損傷度が最大値を示す部品及び評価箇所が表示される。

新たに算出された累積損傷度の評価値ＤＥが、ショベル２０の機体番号及び累積稼働時間とともに、管理装置６０に送信される。管理装置６０は、ショベル支援装置３０から受信した累積損傷度の評価値ＤＥ等を、記憶装置６３に格納する。

図１４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との間で行われる通信のシーケンスを示す。以下、図４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１４に示した実施例では、ショベル支援装置３０が、図４に示した実施例のショベル支援装置３０及び管理装置６０の機能を有している。累積損傷度の過去の評価値ＤＥが、ショベル支援装置３０の記憶装置３６に格納されている。

図１３及び図１４に示した実施例においても、図４に示した実施例と同様に、現在稼働中のショベル２０の機種と、現在の作業内容及び作業環境とが不適合（ミスマッチ）であることを検出することができる。これにより、作業内容及び作業環境と、ショベル２０の機種とのミスマッチを解消することが可能になる。

次に、図１５〜図２０を参照して、累積損傷度の求め方について説明する。

図１５に、累積損傷度の評価値ＤＥを算出する方法のフローチャートを示す。図４に示した実施例では、管理装置６０により図１５の処理が実行される。図１３及び図１４に示した実施例では、ショベル支援装置３０により図１５の処理が実行される。以下の説明では、管理装置６０が累積損傷度の評価値ＤＥを求める実施例の場合について説明する。

まず、ステップＳ１において、管理装置６０の処理装置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２Ａ、図２Ｂ）、アタッチメントの荷重センサ９２（図２Ａ、図２Ｂ）、及び旋回角センサ８４（図２Ａ、図２Ｂ）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、機体番号等の情報が取得される。

旋回角センサ８４から、上部旋回体８２（図２Ａ、図２Ｂ）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２０の運転者または保守要員が設定してもよい。

図１６Ａ〜図１６Ｄ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１６Ａ〜図１６Ｄ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１６Ａ〜図１６Ｄに示した姿勢が順番に出現する。

図１７Ａ〜図１７Ｃに、それぞれショベル２０の動作中におけるブーム用の油圧シリンダ内の油圧、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１７Ａに示した実線Ｌ１及びＬ２は、それぞれ油圧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１７Ａ〜図１７Ｃにおいて、時刻ｔ１は、図１６Ａ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１６Ｂ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１６Ｃ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１５）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１７Ａ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、油圧シリンダ内の油圧、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１７Ａ〜図１７Ｃ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１５）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１８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１８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１８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１９に、ショベルの部品の１つの評価点Ｅｐ（図１８）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１９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１５）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１９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２０に、Ｓ−Ｎ線図の一例を示す。例えば、図２０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、または想定値を下回る条件でショベル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１５）において、部品の累積損傷度の分布を算出する。以下、累積損傷度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。

ステップＳ６（図１５）において、ステップＳ５で求められた累積損傷度が、機体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。このようにして、ショベルの機体ごと、及び部品の評価箇所ごとに、累積損傷度が求まる。

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（全地球測位システム）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
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
８４ 旋回角センサ
８５ ブーム
８６ アーム
８７ バケット
８７Ａ ブレーカ
８８、８９、９０ 油圧シリンダ
９１ 変位センサ（姿勢センサ）
９２ 圧力センサ（荷重センサ）
１０９Ａ、１０９Ｂ 油圧モータ
１１０ エンジン
１２１ トルクコンバータ
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
Ｄ 単周期損傷度
ＤＥ 累積損傷度の評価値
ＤＬ 累積損傷度の限界値
ＤＴ 累積損傷度の指標値
ＤＵ 累積損傷度の上限値
ＴＬ 目標寿命

Claims (8)

1. 画像を表示する表示画面と、
   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、評価対象のショベルの複数の部品ごとに蓄積された累積損傷度に基づいて、前記評価対象のショベルに対する評価値の時刻歴を取得し、累積損傷度の前記評価値を、評価対象の前記ショベルがミスマッチ状態であるか否かを判定するための、稼働時間とともに増加する判定閾値と比較し、前記評価値が前記判定閾値を超えている場合に、評価対象の前記ショベルがミスマッチ状態であることを通知するショベル支援装置。
2. 画像を表示する表示画面と、
   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、評価対象のショベルの複数の部品ごとに蓄積された累積損傷度に基づいて、前記評価対象のショベルに対する評価値の時刻歴を取得し、累積損傷度の前記評価値を、評価対象の前記ショベルがミスマッチ状態であるか否かを判定するための、稼働時間とともに増加する判定閾値とともに、前記表示画面に時系列で表示するショベル支援装置。
3. 前記判定閾値は、評価対象の前記ショベルの目標寿命と、部品が寿命に達したと考えられる累積損傷度である累積損傷度の限界値とによって定義される指標値を含み、
   前記処理装置は、前記表示画面に前記指標値を時系列で表示する請求項１または２に記載のショベル支援装置。
4. 前記判定閾値は、累積損傷度が、部品が寿命に達したと考えられる累積損傷度である累積損傷度の限界値に、次回のメンテナンス時期までに到達するか否かの判定基準となる累積損傷度の上限値を含み、
   前記処理装置は、直前のメンテナンス時期における前記ショベルの累積損傷度の前記評価値、次回のメンテナンス時期、及び部品が寿命に達したと考えられる累積損傷度である累積損傷度の限界値に基づいて、累積損傷度の前記上限値を求め、前記上限値を、累積損傷度の前記評価値とともに、前記表示画面に時系列で表示する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のショベル支援装置。
5. 前記処理装置は、直近に算出された累積損傷度の前記評価値と、前記上限値とを比較し、前記評価値が前記上限値を超えていると、前記ショベルが次回のメンテナンス時期までに寿命に到達する危険性があることを通知する請求項４に記載のショベル支援装置。
6. 前記処理装置によって前記表示画面に表示される累積損傷度の前記評価値として、前記ショベルの複数の部品の各々について複数の評価箇所ごとに算出された累積損傷度の最大値が採用される請求項１乃至５のいずれか１項に記載のショベル支援装置。
7. 前記処理装置は、前記ショベルの作業内容、累積損傷度の前記最大値を示す部品、及び部品内の評価箇所を、前記ショベルの累積稼働時間と対応付けて前記表示画面に表示する請求項６に記載のショベル支援装置。
8. 前記処理装置は、累積損傷度の前記評価値及び前記判定閾値を、前記ショベルの累積稼働時間と対応付けてグラフ形式で表示する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のショベル支援装置。
   

Images