JP6459146B2 - 建設機械冷却系の故障判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械に搭載される熱交換器に冷風を送る電動式の冷却用ファンの故障を検出する故障判定装置に関するものである。

一般に、建設機械には、エンジンの冷却水や油圧ポンプの作動油を冷却するために熱交換器が搭載される。

この熱交換器において、冷却用ファンにより吸気した外気を用いて冷却水や作動油を冷却するものとして、例えば特許文献１や特許文献２に記載された構造のものが知られている。

特開２０１３−１８１３４４号公報 特許第３１１６７８１号公報

ところで、油圧ショベル等の建設機械では、エンジンの負荷が作業により大きく変動するため、冷却用ファンを直接的にエンジンの動力により駆動させるのではなく、エンジンとは別に駆動源を設け、冷却用ファンの回転数を適切に変更することにより省エネルギー化を図る場合がある。

ここで、冷却用ファンの駆動源として電動機を用いる場合、冷却用ファンが停止するとエンジンがオーバーヒートを起こす虞があるため、冷却システムの故障を検出する必要がある。

電動機の故障を検出するには、電動機に回転センサを取り付け電動機の回転数を監視するのが効果的であるが、回転センサは高価でありコストアップになってしまう。

特許文献１に開示されている技術は、冷却水または作動油温の温度上昇率に基づいて熱交換器の目詰まりを検出するものであり、直接的には冷却用ファンの故障に対応することはできない。

また、冷却用ファンの回転速度を落とした場合には、冷却風量が低下し温度上昇率が上がるため目詰まりを誤検出してしまう。

特許文献２に開示されている技術は、内燃機関の発熱量および放熱環境が定常的であり、冷却ファン制御装置から冷却用ファンを回転させるための回転実行信号が出力されている場合に、回転実行信号の出力を停止させ、その後の冷却水温の変化を測定し、この変化が所定値以下である場合に冷却システムの異常を判定するものである。

この技術では、異常判定のために冷却用ファンを停止させる必要があり、冷却性能が損なわれてしまうため、作業中の異常判定を行うには不適である。

本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、油圧ショベル等の建設機械において、回転センサ等の高価なセンサを用いることなく、冷却水温の温度上昇率に基づいて作業中の冷却システムの故障を精度よく検出する故障判定装置を提供する。

本発明は、エンジンと、冷却用ファンを駆動する電動機を備えた冷却システムと、前記電動機を制御する電動機制御手段と、前記エンジンの動力により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプのポンプ吐出圧を検出するポンプ圧力検出手段と、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの冷却水の冷却水温を検出する冷却水温検出手段と、前記冷却水温に基づいて前記冷却システムの故障を判定する故障判定手段とを備え、前記故障判定手段は、前記エンジンのエンジン回転数と、前記油圧ポンプのポンプ吐出量と、前記油圧ポンプのポンプ吐出圧とにより算出されるポンプパワーに基づいて温度上昇率判定値を設定し、前記冷却水の冷却水温から冷却水温度上昇率を算出し、前記電動機制御手段から前記冷却用ファンを回転させるための回転実行信号が出力されている場合に、前記冷却水温度上昇率と予め設定された温度上昇率判定値とを比較し、前記比較結果に基づいて前記冷却システムの故障を判定するものである。

この構成によると、冷却水温度上昇率と温度上昇率判定値を用いることにより冷却システムの故障が判定されるため、高価な回転センサを用いる必要がない。

また、電動機制御手段から回転実行信号が出力されている場合にのみ冷却システムの故障が判定されるため、冷却用ファンが停止させられる際の冷却性能の低下に起因する誤判定を防止することができる。

また、エンジン負荷により変化するエンジンの発熱量の影響を受ける冷却水温度上昇率に対して、この冷却水温度上昇率と比較される温度上昇率判定値をポンプパワーから決定することにより、エンジン負荷を考慮した判定が行われるため、冷却システムの故障の判定精度が向上できる。

さらに本発明は、外気温を検出する外気温検出手段を有し、前記外気温検出手段により検出された前記外気温と前記冷却水温との差に基づいて前記温度上昇率判定値が決定されるものである。

この構成において、エンジンの放熱量は、外気温と冷却水温との差により変化するため、この温度差を考慮した判定が行われることにより、冷却システムの故障の判定精度が向上できる。

ここで、前記温度上昇率判定値は、複数の前記外気温と前記冷却水温との差に対して記憶された前記温度上昇率判定値の中から選択されるのが望ましい。

こうすることにより、前記外気温と前記冷却水温との差に基づいた温度上昇率判定値の算出をする必要がなくなり、故障判定装置の負荷が低減できる。

また、本発明において、前記電動機制御手段からの回転速度信号に基づいて、前記温度上昇率判定値が決定されるものである。

この構成において、回転速度信号の速度指令が小さい場合に冷却性能が低下し故障と判定されることを避けることができ、温度上昇率判定値を回転速度信号の速度指令に応じた値にすることにより、冷却用システムの故障の判定精度が向上できる。

ここで、前記温度上昇率判定値は、前記電動機制御手段からの複数の前記回転速度信号に対して記憶された前記温度上昇率判定値の中から選択されるのが望ましい。

こうすることにより、前記電動機制御手段からの前記回転速度信号に基づいた温度上昇率判定値の算出をする必要がなくなり、故障判定装置の負荷が低減できる。

本発明によれば、回転センサ等の高価なセンサを用いることなく、冷却水温の温度上昇率に基づいて作業中の冷却用システムの故障を精度よく検出する故障判定装置を提供することができる。

油圧ショベルの構成例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る故障判定装置のシステム構成図である。 本発明の実施形態に係る故障判定装置が故障判定に用いる判定値マップである。 図３の判定値マップの作成例である。 本発明の実施形態に係る故障判定装置の動作の流れを示すフローチャートである。 外気温を考慮した判定値マップである。 速度指令を考慮した判定値マップである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら述べる。

図１は、油圧ショベルの構成例を示す側面図である。

本発明の実施形態に係る油圧ショベル１は、クローラ式の下部走行体２と、下部走行体２の上に旋回可能に搭載された上部旋回体３と、上部旋回体３の前部にブーム４、アーム５、バケット６からなる作業アタッチメントとが搭載されている。

上部旋回体３には、後端部にカウンタウエイト７が搭載され、カウンタウエイト７の前方にはエンジン８が搭載されるエンジンルーム９が設けられる。

図２は、本発明の実施形態に係る故障判定装置のシステム構成図であり、制御系のつながり（信号のやり取り）を矢印で示す。

図示のように、動力源としてのエンジン８には、エンジン８の冷却水を冷却するための熱交換器３６が搭載される。

冷却システム２０は、熱交換器３６に冷却風を送風する冷却用ファン２１と、冷却用ファン２１を駆動させる電動機２２を備える。

油圧ポンプ２４は、エンジン８に接続され、エンジン８の動力によって駆動される。

油圧ポンプ２４には、油圧回路３４を介してアクチュエータ３５が接続され、油圧ポンプ２４から供給される圧油によってこのアクチュエータ３５が駆動される。

油圧ポンプ２４と油圧回路３４の間には、圧力検出センサ２５が設けられ、ポンプ圧力検出手段２６により油圧ポンプ２４のポンプ吐出圧が検出される。

また、油圧ポンプ２４にはポンプレギュレータ３２が設けられ、油圧ポンプ２４のポンプ吐出量が調整され、ポンプ吐出量検出手段３３により油圧ポンプ２４のポンプ吐出量が検出される。

エンジン８には、エンジン回転センサ２７とエンジン水温センサ２９が設けられ、エンジン回転数検出手段２８と冷却水温検出手段３０によりエンジン８の回転数とエンジン８の冷却水の冷却水温がそれぞれ検出される。

電動機２２は、電動機制御手段２３から回転実行信号が出力されることにより駆動し、電動機制御手段２３からの回転速度信号の速度指令に応じた回転速度で回転する。

外気温検出手段３６は、油圧ショベル１の外部の外気温を検出する。

故障判定手段３１は、電動機制御手段２３、エンジン回転数検出手段２８、冷却水温検出手段３０、ポンプ圧力検出手段２６、およびポンプ吐出量検出手段３３から各状態量を読み出し、冷却システム２０の故障を判定する。

次に、故障判定手段３１による冷却システム２０の故障判定方法について説明する。

故障判定手段３１は、ポンプパワーＷｐｕｍｐ［Ｗ］と、冷却水温度上昇率ΔＴｓ（℃／ｓ）、および図３のような判定マップを用いて冷却システム２０の故障判定を行う。

ポンプパワーＷｐｕｍｐ［Ｗ］は、エンジン回転数検出手段２８により検出されるエンジン回転数Ｎｅｇ［ｍｉｎ^−１］、ポンプ圧力検出手段２６により検出されるポンプ吐出圧Ｐｐｕｍｐ［ＭＰａ］、ポンプ吐出量検出手段３３により検出されるポンプ吐出量ｑ［ｃｃ／ｒｅｖ］より、数１にしたがって算出される。なお、ｎはｎ番目に検出されたデータであることを表す。

（数１）
Ｗｐｕｍｐ［ｎ］ ＝ Ｎｅｇ［ｎ］ × Ｐｐｕｍｐ［ｎ］ × ｑ［ｎ］ ÷ ６０

冷却水温度上昇率ΔＴｓ（℃／ｓ）は、数２にしたがって算出される。なお、Ｔｓｍｐはサンプリング周期を表す。

（数２）
ΔＴｓ ＝ （ Ｔｓ［ｎ］ − Ｔｓ［ｎ−１］ ） ／ Ｔｓｍｐ

図３の判定マップは、ポンプパワーＷｐｕｍｐに対応するエンジン８の冷却水の温度上昇率判定値ΔＴｓｈを描いている。

判定マップは、例えば図４のように、冷却用ファン２１の回転ありの場合の温度上昇率ΔＴｓ１と冷却用ファン２１の回転なしの場合の温度上昇率ΔＴｓ２を、ポンプパワーＷｐｕｍｐを変更する試験により確認し、ΔＴｓ１とΔＴｓ２の中間値を温度上昇率判定値ΔＴｓｈとすることにより作成される。

このように温度上昇率判定値ΔＴｓｈをΔＴｓ１とΔＴｓ２の中間値とすることにより、温度上昇率判定値ΔＴｓｈが安定しないときの誤判定を防止することができる。

故障判定手段３１は、冷却水温度上昇率ΔＴｓと温度上昇率判定値ΔＴｓｈの大小を比較して、冷却水温度上昇率ΔＴｓが温度上昇率判定値ΔＴｓｈを上回る場合に冷却用ファン２１が故障していると判定する。

以上の判定方法について図５のフローチャートを用いて順序立てて説明する。

ステップＳ０１では、電動機制御手段２３、エンジン回転数検出手段２８、冷却水温検出手段３０、ポンプ圧力検出手段２６、およびポンプ吐出量検出手段３３から、各状態量としてエンジン回転数Ｎｅｇ、エンジン冷却水温Ｔｓ、ポンプ吐出圧Ｐｐｕｍｐ、ポンプ吐出量ｑを読み出す。

ステップＳ０２では、エンジン回転数Ｎｅｇ、ポンプ吐出圧Ｐｐｕｍｐ、ポンプ吐出量ｑより、数１に従ってポンプパワーＷｐｕｍｐが算出される。

ステップＳ０３では、式２に従って冷却水温度上昇率ΔＴｓが算出される。

ステップＳ０２とステップＳ０３において、ポンプパワーＷｐｕｍｐの変動やノイズ等により温度上昇率ΔＴｓの算出値が安定せずに誤判定となる可能性がある。

したがって、高周波数を除外するローパスフィルタ処理を施すことにより判定精度を高めることができる。

ステップＳ０４では、図３に示すようなマップデータから温度上昇率判定値ΔＴｓｈを読み出す。

ステップＳ０５では、電動機２２を駆動させるための回転実行信号が電動機制御手段２３から出力されているかが判定される。

回転実行信号が出力されていない場合には、冷却用ファンの故障判定をせずに図中のリターンへ進む。

回転実行信号が出力されている場合には、ステップＳ０６に進む。

ステップＳ０６では、温度上昇率ΔＴｓと温度上昇率判定値ΔＴｓｈの大小が比較される。

温度上昇率ΔＴｓが温度上昇率判定値ΔＴｓｈを上回る場合には、ステップＳ０７において冷却システム２０が故障していると判定される。

温度上昇率ΔＴｓが温度上昇率判定値ΔＴｓｈを上回らない場合には、ステップＳ０８において冷却システム２０は正常であると判定される。

ステップＳ０７とステップＳ０８の判定後には、図中のリターンに進む。

以上において、実施形態を参照しながら本発明を説明したが、上記の実施形態では冷却水温Ｔｓと外気温Ｔａの温度差に影響される放熱量について考慮されていない。

そこで、図６に示すような判定マップを用いて冷却水温Ｔｓと外気温Ｔａの温度差を考慮することにより、判定精度を高めることができる。

図６は、例えば複数の冷却水温Ｔｓと外気温Ｔａの差に対してポンプパワーＷｐｕｍｐを変更した場合の温度上昇率ΔＴｓから、温度上昇率判定値ΔＴｓｈを算出して示したものである。

図６の判定マップによると、冷却水温Ｔｓと外気温Ｔａの差が大きい場合には、放熱量が大きいため温度上昇率判定値ΔＴｓｈは低くなり、冷却水温Ｔｓと外気温Ｔａの差が小さい場合には、放熱量が小さいため温度上昇率判定値ΔＴｓｈは大きくなる。

故障判定手段３１は、図６のような判定マップを用いて外気温Ｔａに応じた温度上昇率判定値ΔＴｓｈを設定することにより、冷却システム２０の故障の判定精度が向上できる。

これによると、予め算出した複数の温度上昇率判定値ΔＴｓｈの中から選択するので、温度上昇率判定値の算出をする必要がなくなり、故障判定装置の負荷が低減できる。

また、放熱量は電動機２２の回転速度に対しても影響されるが、上記の実施形態では考慮されていない。

この場合、図７に示すような判定マップを用いて電動機２２回転速度を考慮することにより、判定精度を高めることができる。

図７は、電動機２２の複数の回転速度に対してポンプパワーＷｐｕｍｐを変更した場合の温度上昇率ΔＴｓから、温度上昇率判定値ΔＴｓｈを算出して示したものである。

図７の判定マップによると、電動機２２の回転速度信号の速度指令が大きい場合には、放熱量が大きいため温度上昇率温度上昇率判定値ΔＴｓｈは低くなり、電動機２２の回転速度信号の速度指令が小さい場合には、放熱量が小さいため温度上昇率温度上昇率判定値ΔＴｓｈは大きくなる。

故障判定手段３１は、図７のような判定マップを用いて電動機２２の回転速度信号の速度指令に応じた温度上昇率判定値ΔＴｓｈを設定することにより、冷却システム２０の故障の判定精度が向上できる。

これによると、予め算出した複数の温度上昇率判定値ΔＴｓｈの中から選択するので、温度上昇率判定値の算出をする必要がなくなり、故障判定装置の負荷が低減できる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲内において種々の変更をしてもよい。

例えば、冷却水温Ｔｓと外気温Ｔａの温度差と同時に、電動機２２の回転速度を考慮して故障判定を行うようにすれば、冷却システム２０の故障の判定精度の更なる向上が期待できる。

１ 油圧ショベル
２ 下部走行体
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ カウンタウエイト
８ エンジン
９ エンジンルーム
２０ 冷却システム
２１ 冷却用ファン
２２ 電動機
２３ 電動機制御手段
２４ 油圧ポンプ
２５ 圧力センサ
２６ ポンプ圧力検出手段
２７ エンジン回転センサ
２８ エンジン回転数検出手段
２９ エンジン水温センサ
３０ 冷却水温検出手段
３１ 故障判定手段
３２ ポンプレギュレータ
３３ ポンプ吐出量検出手段
３４ 油圧回路
３５ アクチュエータ
３６ 熱交換器

Claims (5)

1. エンジンと、冷却用ファンを駆動する電動機を備えた冷却システムと、前記電動機を制御する電動機制御手段と、前記エンジンの動力により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプのポンプ吐出圧を検出するポンプ圧力検出手段と、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの冷却水の冷却水温を検出する冷却水温検出手段と、前記冷却水温に基づいて前記冷却システムの故障を判定する故障判定手段とを備え、
   前記故障判定手段は、前記エンジンのエンジン回転数と、前記油圧ポンプのポンプ吐出量と、前記油圧ポンプのポンプ吐出圧とにより算出されるポンプパワーに基づいて温度上昇率判定値を設定し、前記冷却水の冷却水温から冷却水温度上昇率を算出し、前記電動機制御手段から前記冷却用ファンを回転させるための回転実行信号が出力されている場合に、前記冷却水温度上昇率と前記温度上昇率判定値とを比較し、前記比較結果に基づいて前記冷却システムの故障を判定することを特徴とする建設機械の故障判定装置。
2. 外気温を検出する外気温検出手段を有し、前記外気温検出手段により検出された前記外気温と前記冷却水温との差に基づいて前記温度上昇率判定値が決定されることを特徴とする請求項１に記載の建設機械の故障判定装置。
3. 前記温度上昇率判定値は、複数の前記外気温と前記冷却水温との差に対して記憶された前記温度上昇率判定値の中から選択されることを特徴とする請求項２に記載の建設機械の故障判定装置。
4. 前記電動機制御手段からの回転速度信号に基づいて、前記温度上昇率判定値が決定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の建設機械の故障判定装置。
5. 前記温度上昇率判定値は、前記電動機制御手段からの複数の前記回転速度信号に対して記憶された前記温度上昇率判定値の中から選択されることを特徴とする請求項４に記載の建設機械の故障判定装置。

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