JP6771856B2

JP6771856B2 - ショベル

Info

Publication number: JP6771856B2
Application number: JP2014117323A
Authority: JP
Inventors: 正樹小川; ライ申
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: JP2015229891A

Description

本発明は、旋回機構を備えたショベルに関する。

掘削から放土までの一連の作業を繰り返し自動的に行う自動運転ショベルが知られている（特許文献１参照。）。この自動運転ショベルは、掘削終了後の旋回開始前に、旋回途中に土石がバケットからこぼれ落ちるのを防止するため、バケットをダンプ方向（開き方向）へ自動的に動作させてバケット内で山盛りとなった土石を旋回開始前にバケットから落とすようにする。

特開２００２−１１５２７２号公報

しかしながら、上述の自動運転ショベルは、上部旋回体の旋回動作が繰り返されることによるブームの疲労を考慮していない。そのため、ブームの特定部分に作用する応力が大きいブーム姿勢で旋回動作を繰り返してしまい、ブームの疲労寿命を短縮してしまうおそれがある。

上述に鑑み、ブーム等の作業要素の疲労寿命の短縮を防止できるショベルを提供することが望まれる。

本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントを構成する作業要素と、前記上部旋回体及び前記作業要素の動きを制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、掘削動作の終了後、旋回動作が行われる前に、前記作業要素に作用する応力が低減するように、前記作業要素の旋回半径を自動的に制御する。

上述の手段により、作業要素の疲労寿命の短縮を防止できるショベルが提供される。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図である。自動操作機構の構成例を示す図である。旋回時のブーム角度とブームの所定部分の累積疲労損傷度との関係の一例を示す図である。旋回時のブーム角度とブームの所定部分の累積疲労損傷度との関係の一例を示すグラフである。ブーム姿勢制御処理の流れを示すフローチャートである。ブーム姿勢制御処理の別の構成例の流れを示すフローチャートである。旋回動作実行回数とブームの所定部分の累積疲労損傷度との関係を示すグラフである。ブーム姿勢制御処理のさらに別の構成例の流れを示すフローチャートである。旋回加速度制限処理の流れを示すフローチャートである。旋回制御部の構成例を示す機能ブロック図である。自動操作機構の別の構成例を示す図である。

最初に、図１を参照して、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベルについて説明する。なお、図１は、本実施例に係るショベルの側面図である。図１に示すショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載される。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられる。アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成する作業要素としてのブーム４、アーム５、及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、エンジン１１等の動力源が搭載される。

図２は、図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図であり、機械的動力系、高圧油圧ライン、パイロットライン、及び電気制御系をそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示す。

ショベルの駆動系は、主に、エンジン１１、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒ、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、角度センサ２８、圧力センサ２９、コントローラ３０、及び自動操作機構３１を含む。

エンジン１１は、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。また、エンジン１１の出力軸は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒ及びパイロットポンプ１５の入力軸に接続される。

メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、高圧油圧ラインを介して作動油をコントロールバルブ１７に供給するための装置であり、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。

パイロットポンプ１５は、パイロットライン２５を介して操作装置２６及び自動操作機構３１を含む各種油圧制御機器に作動油を供給するための装置であり、例えば、固定容量型油圧ポンプである。

コントロールバルブ１７は、ショベルにおける油圧系を制御する油圧制御装置である。具体的には、コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れを制御する流量制御弁１７１〜１７６を含む。そして、コントロールバルブ１７は、流量制御弁１７１〜１７６を通じ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの１又は複数のものに対しメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油を選択的に供給する。なお、以下では、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、及び旋回用油圧モータ２Ａを集合的に「油圧アクチュエータ」と称する。

操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。本実施例では、操作装置２６は、パイロットライン２５を介して、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。なお、パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力（パイロット圧）は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６のレバー又はペダル（図示せず。）の操作方向及び操作量に応じた圧力である。

角度センサ２８は、掘削アタッチメントの姿勢を検出するための姿勢検出部の一例である。本実施例では、角度センサ２８は、ブーム４の上部旋回体に対する角度であるブーム角度をブームフートピンの回転角度の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。なお、ブーム角度は、ブームシリンダ７のストローク量を検出するストロークセンサ等、角度センサ以外の他のセンサの出力を用いて導き出されてもよい。また、角度センサ２８は、アーム５のブーム４に対する角度であるアーム角度、バケット６のアーム５に対する角度であるバケット角度等を検出してもよい。また、姿勢検出部の別の一例としてのストロークセンサは、油圧シリンダにおけるピストンの変位を検出するセンサであってもよい。

圧力センサ２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出するための操作内容検出部の一例である。本実施例では、圧力センサ２９は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６のレバー又はペダルの操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。なお、操作装置２６の操作内容は、ポテンショメータ等、圧力センサ以外の他のセンサの出力を用いて導き出されてもよい。

コントローラ３０は、ショベルを制御するための制御装置であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等を備えたコンピュータで構成される。また、コントローラ３０は、各種機能要素に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭにロードし、各種機能要素に対応する処理をＣＰＵに実行させる。

また、コントローラ３０は、エンジン１１によって駆動されるメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒから、センターバイパス管路４０Ｌ、４０Ｒのそれぞれを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。

センターバイパス管路４０Ｌは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７１、１７３、及び１７５を通る高圧油圧ラインであり、センターバイパス管路４０Ｒは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７２、１７４、及び１７６を通る高圧油圧ラインである。

流量制御弁１７１は、メインポンプ１４Ｌ、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、及び作動油タンクの間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。また、流量制御弁１７２は、メインポンプ１４Ｒ、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、及び作動油タンクの間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。また、流量制御弁１７３は、メインポンプ１４Ｌ、旋回用油圧モータ２Ａ、及び作動油タンクの間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。

流量制御弁１７４は、メインポンプ１４Ｒ、バケットシリンダ９、及び作動油タンクの間の作動油の間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。また、流量制御弁１７５は、メインポンプ１４Ｌ、アームシリンダ８、及び作動油タンクの間の作動油の間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。また、流量制御弁１７６は、メインポンプ１４Ｒ、ブームシリンダ７、及び作動油タンクの間の作動油の間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。

また、コントローラ３０は、圧力センサ２９の出力に基づいて旋回操作が行われたか否かを判定する。そして、旋回操作が行われたと判定した場合、自動操作機構３１に制御指令を出力してブーム４を自動的に上昇させる。旋回動作の際にブーム４に作用する応力が小さくなるようにするためである。具体的には、旋回動作の際にブーム４に作用する応力が所定値以下となるように掘削アタッチメントの旋回半径を小さくするためである。なお、所定値は、ブーム４の構造解析等に基づいて予め設定される値である。また、コントローラ３０は、所定条件が満たされた場合に自動操作機構３１に制御指令を出力して旋回用油圧モータ２Ａに供給される作動油の流量を自動的に低減させてもよい。旋回動作の際にブーム４に作用する応力が所定値以下となるように上部旋回体３の急加速、急減速、或いは急停止を防止するためである。

自動操作機構３１は、油圧アクチュエータを自動的に操作するための機構である。具体的には、自動操作機構３１は、コントローラ３０が出力する制御指令に応じてパイロットポンプ１５からコントロールバルブ１７における各種流量制御弁のパイロットポートに導入される制御圧を調整する。そして、操作装置２６を利用した操作者による操作入力の有無にかかわらず、各種流量制御弁を自動的に駆動し、対応する油圧アクチュエータを自動的に動作させる。

図３は、自動操作機構３１の構成例を示す図である。また、図３は、ブームシリンダ７に対応する流量制御弁１７６に接続される構成を代表例として示す。なお、図示は省略するが、自動操作機構３１は、旋回用油圧モータ２Ａに対応する流量制御弁１７３等の他の流量制御弁にも同様に接続され得る。

図３の自動操作機構３１は、主に、電磁減圧弁３２及び電磁切替弁３３Ｌ、３３Ｒを含み、ブーム操作レバー２６Ａと流量制御弁１７６との間に配置される。

ブーム操作レバー２６Ａは、操作装置２６の一例であり、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じたパイロット圧を生成する。具体的には、ブーム操作レバー２６Ａは、ブーム上げ方向に操作された場合に、流量制御弁１７６の左側のパイロットポートに作動油を導入させ、ブーム下げ方向に操作された場合には、流量制御弁１７６の右側のパイロットポートに作動油を導入させる。

圧力センサ２９Ａは、圧力センサ２９の一例であり、ブーム操作レバー２６Ａに対する操作者の操作内容を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。操作内容は、例えば、レバー操作方向、レバー操作量（レバー操作角度）等である。

電磁減圧弁３２は、パイロットポンプ１５の吐出圧を利用し、コントローラ３０からの制御指令に応じた二次圧を生成する。

電磁切替弁３３Ｌ、３３Ｒは、４ポート３位置の切替弁であり、コントローラ３０からの制御指令に応じて弁位置を第１弁位置、第２弁位置、及び第３弁位置のうちの何れかに切り替える。なお、図中の括弧内の数字は弁位置の番号を表す。

第１弁位置は、電磁減圧弁３２が生成する二次圧を流量制御弁１７６のパイロットポートに導入させる弁位置である。また、第２弁位置は、ブーム操作レバー２６Ａが生成するパイロット圧を流量制御弁１７６のパイロットポートに導入させる弁位置である。また、第３弁位置は、流量制御弁１７６のパイロットポートにある作動油を作動油タンクに流出させる弁位置である。

例えば、コントローラ３０は、ブーム４を自動的に動作させない場合には、電磁切替弁３３Ｌ、３３Ｒの双方を第２弁位置とし、ブーム操作レバー２６Ａが生成するパイロット圧が流量制御弁１７６のパイロットポートに作用できるようにする。そして、ブーム４を自動的に上昇させる場合には、コントローラ３０は、電磁減圧弁３２で所望の二次圧を生成させた上で電磁切替弁３３Ｌを第１弁位置に切り替え、その二次圧を流量制御弁１７６の左側のパイロットポートに作用させる。また、コントローラ３０は、電磁切替弁３３Ｒを第３弁位置に切り替え、流量制御弁１７６の右側のパイロットポートにある作動油を作動油タンクに流出させる。ブーム４を自動的に下降させる場合も同様である。

この構成により、コントローラ３０は、操作者によるブーム操作レバー２６Ａに対する操作入力の有無にかかわらず、流量制御弁１７６を自動的に駆動し、ブームシリンダ７を自動的に動作させることができる。そして、コントローラ３０は、ブーム４の疲労寿命の短縮を防止するため、旋回時のブーム４の姿勢を自動的に制御できる。

図４は、旋回時のブーム角度θとブーム４の所定部分の累積疲労損傷度との関係の一例を示す図である。具体的には、図４（Ａ１）及び図４（Ａ２）はブーム角度θが比較的小さい場合の関係を表し、図４（Ｂ１）及び図４（Ｂ２）はブーム角度θが比較的大きい場合の関係を表す。また、図４（Ａ１）及び図４（Ｂ１）はブーム４を斜め下から見た図であり、図４（Ａ２）及び図４（Ｂ２）はブーム４を側方から見た図である。なお、本実施例では、ブーム角度θは、センターボス４ｂとブームフートピン４ｃとを結ぶ線分Ｌ１の、ブームフートピン４ｃを通る鉛直線Ｌ２に対する角度を意味する。なお、ブーム角度θは対地表角度で表されてもよい。また、ブーム４の所定部分の累積疲労損傷度は、旋回動作の際にブーム４の所定部分に作用する繰り返し応力の繰り返し数を破断繰り返し数で除した値の総和を意味する。なお、破断繰り返し数は、ブーム４の所定部分が疲労破壊されるときの繰り返し応力の繰り返し数である。また、領域Ｒａは、アームシリンダフートブラケット４ａの近くにある溶接部を表し、具体的には、ブーム４の外面を構成する上下左右の４つの板材のうちの下板とブーム４の内部にある仕切り板（隔壁）との間の溶接部を表す。また、領域Ｒｂは、ブームフートピン４ｃの近くにある溶接部を表し、具体的には、４つの板材のうちの左右の側板とブーム４の内部にある仕切り板（隔壁）との間の溶接部を表す。なお、図４（Ａ１）及び図４（Ｂ１）では、左の側板に関する溶接部のみが視認できる。

また、図４は、図４（Ａ１）に示すようにブーム角度θが比較的小さい場合に領域Ｒａの累積疲労損傷度が領域Ｒｂよりも大きく、図４（Ｂ１）に示すようにブーム角度θが比較的大きい場合に領域Ｒａの累積疲労損傷度が領域Ｒｂよりも小さいことを表す。なお、領域Ｒａ及び領域Ｒｂを示すハッチングは、目が粗いほど累積疲労損傷度が小さいことを表す。

このように、旋回動作によるブーム４の各部分の累積疲労損傷度は、旋回時のブーム４のブーム角度θによって異なる。そのため、旋回時のブーム４の姿勢を制御することで疲労寿命の短縮を防止できることが分かる。

図５は、旋回時のブーム角度θと領域Ｒａ及び領域Ｒｂのそれぞれの累積疲労損傷度Ｄとの関係の一例を示すグラフである。また、図５の実線で示す推移はブーム角度θに対する領域Ｒａの累積疲労損傷度の推移を表し、一点鎖線で示す推移はブーム角度θに対する領域Ｒｂの累積疲労損傷度の推移を表す。

具体的には、図５は、領域Ｒａの累積疲労損傷度（例えば１回の旋回動作によるダメージに対応）の最大値が領域Ｒｂの累積疲労損傷度の最大値よりも小さいことを表す。また、図５は、ブーム角度θがθ２を超えると、領域Ｒｂの累積疲労損傷度が領域Ｒａの累積疲労損傷度よりも大きいことを表す。この場合、コントローラ３０は、旋回時のブーム角度θがθ２未満となるようにブーム４を自動的に動作させることで、ブーム４の疲労寿命の短縮を防止できる。なお、θ１は例えば０〜１０度であり、θ２は例えば２０〜４０度であり、θ３は例えば６０〜７５度である。

次に、図６を参照し、旋回時にコントローラ３０がブーム４の姿勢を自動的に制御する処理（以下、「ブーム姿勢制御処理」とする。）について説明する。なお、図６は、ブーム姿勢制御処理の流れを示すフローチャートであり、コントローラ３０は、所定の制御周期で繰り返しこのブーム姿勢制御処理を実行する。

最初に、コントローラ３０は、旋回操作が行われたかを判定する（ステップＳ１）。本実施例では、コントローラ３０は、圧力センサ２９の出力に基づいて旋回操作レバーが操作されたかを判定する。

そして、旋回操作が行われたと判定した場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、ブーム角度θが目標ブーム角度θｔｇ以上であるかを判定する（ステップＳ２）。本実施例では、コントローラ３０は、角度センサ２８の出力に基づいてブーム角度θが目標ブーム角度θｔｇ以上であるかを判定する。

そして、ブーム角度θが目標ブーム角度θｔｇ以上であると判定した場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、ブーム４を上昇させる（ステップＳ３）。本実施例では、コントローラ３０は、自動操作機構３１に制御指令を出力して流量制御弁１７６を自動的に駆動し、ブーム角度θが目標ブーム角度θｔｇ未満となるまでブームシリンダ７を自動的に伸張させる。

そして、コントローラ３０は、ブーム角度θを目標ブーム角度θｔｇ未満とした後で旋回動作を開始させる。なお、コントローラ３０は、旋回中にブーム４を上昇させてもよい。

また、ブーム角度θが目標ブーム角度θｔｇ未満であると判定した場合には（ステップＳ２のＮＯ）、コントローラ３０は、ブーム４を上昇させることなく旋回動作を実行する。なお、旋回操作が行われていないと判定した場合には（ステップＳ１のＮＯ）、コントローラ３０は、何ら制御を行うことなく今回のブーム姿勢制御処理を終了する。

以上の構成により、コントローラ３０は、旋回操作が行われたときのブーム角度θが目標ブーム角度θｔｇ以上であれば、ブーム角度θが目標ブーム角度θｔｇ未満となるまでブーム４を自動的に上昇させる。そのため、コントローラ３０は、旋回時にブーム４の所定部分（例えば溶接部Ｒａ及び溶接部Ｒｂ）に作用する応力を所定値以下にできる。その結果、コントローラ３０は、ブーム４の疲労寿命の短縮を防止できる。なお、コントローラ３０は、ブーム角度θを制御対象とする代わりに、ブーム４の旋回半径、ブーム角度θとブーム４の旋回半径との組み合わせ、アーム５（バケットピンの位置）の旋回半径、アーム角度とアーム５の旋回半径との組み合わせ、掘削アタッチメントの慣性モーメント等を制御対象としてもよい。

次に、図７を参照し、ブーム姿勢制御処理の別の構成例について説明する。なお、図７は、ブーム姿勢制御処理の別の構成例の流れを示すフローチャートであり、コントローラ３０は、所定の制御周期で繰り返しこのブーム姿勢制御処理を実行する。

最初に、コントローラ３０は、旋回動作の実行回数を計数する（ステップＳ１１）。本実施例では、コントローラ３０は、圧力センサ２９の出力に基づいて旋回操作レバーが操作されたかを判定する。そして、旋回操作レバーが操作されたと判定した場合に、不揮発性メモリに記憶される旋回動作実行回数をインクリメントする。

その後、コントローラ３０は、旋回動作実行回数が予め定められた所定回数Ｎｔｈ以上となったかを判定する（ステップＳ１２）。本実施例では、コントローラ３０は、不揮発性メモリに記憶された旋回動作実行回数及び所定回数Ｎｔｈを読み出して旋回動作実行回数が所定回数Ｎｔｈ以上となったかを判定する。

旋回動作実行回数が所定回数Ｎｔｈ未満であると判定した場合（ステップＳ１２のＮＯ）、コントローラ３０は、今回のブーム姿勢制御処理を終了させる。

一方で、旋回動作実行回数が所定回数Ｎｔｈ以上になったと判定した場合（ステップＳ１２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、旋回時に取るべき掘削アタッチメントの姿勢を切り替える（ステップＳ１３）。本実施例では、コントローラ３０は、目標ブーム角度θｔｇの値を変更する。なお、コントローラ３０は、旋回動作実行回数が所定回数Ｎｔｈ未満の場合には、旋回時に取るべき掘削アタッチメントの姿勢を制御しないようにしてもよい。この場合、自動操作機構３１が作動することはなく、ブームシリンダ７が自動的に伸縮させられることもない。

図８は、旋回動作実行回数と溶接部Ｒａ、Ｒｂの累積疲労損傷度との関係を示すグラフである。なお、本実施例では、コントローラ３０は、旋回動作実行回数が所定回数Ｎｔｈとなったときに、旋回時の掘削アタッチメントの姿勢を、図４（Ａ１）及び図４（Ａ２）に示すブーム角度θが比較的小さい状態から図４（Ｂ１）及び図４（Ｂ２）に示すブーム角度θが比較的大きい状態に切り替える。

具体的には、図８の実線で示すように、ブーム４の溶接部Ｒａの累積疲労損傷度は、旋回動作実行回数の増大にしたがって増加率α１で増大する。そして、旋回動作実行回数が所定回数Ｎｔｈに達したところで値Ｄ１に達する。その後、旋回時の掘削アタッチメントの姿勢が切り替えられると、増加率α１より小さい増加率α２で増大し、旋回動作実行回数がＮ２回に達したところで許容最大値Ｄｍａｘに達する。

また、図８の破線で示すように、ブーム４の溶接部Ｒｂの累積疲労損傷度は、旋回動作実行回数の増大にしたがって増加率β１で増大する。そして、旋回動作実行回数が所定回数Ｎｔｈに達したところで値Ｄ２に達する。その後、旋回時の掘削アタッチメントの姿勢が切り替えられると、増加率β１より大きい増加率β２で増大し、旋回動作実行回数がＮ２回に達したところで許容最大値Ｄｍａｘ未満の値Ｄ３に達する。

なお、旋回動作実行回数が所定回数Ｎｔｈに達したところで旋回時の掘削アタッチメントの姿勢の切り替えが行われなかった場合、ブーム４の溶接部Ｒａの累積疲労損傷度は、図８の一点鎖線で示すように、旋回動作実行回数が値Ｎ１（＜Ｎ２）に達したところで許容最大値Ｄｍａｘに達する。これは、旋回時の掘削アタッチメントの姿勢が切り替えられることで、（Ｎ２−Ｎ１）回の旋回動作分だけブーム４の全体としての疲労寿命が延長されることを表す。

また、ブーム角度θが比較的大きい状態で旋回動作が繰り返された場合、ブーム４の溶接部Ｒｂの累積疲労損傷度は、図８の二点鎖線で示すように、旋回動作実行回数が値Ｎ０（＜Ｎ１）に達したところで許容最大値Ｄｍａｘに達する。これは、ブーム角度θが比較的小さい状態で旋回動作が行われることで（Ｎ１−Ｎ０）回の旋回動作分だけブーム４の全体としての疲労寿命が延長されることを表す。さらに、旋回時の掘削アタッチメントの姿勢が切り替えられることで、（Ｎ２−Ｎ０）回の旋回動作分だけブーム４の全体としての疲労寿命が延長されることを表す。

以上の構成により、コントローラ３０は、旋回時に自動調整されるブーム角度θの値を旋回動作実行回数に応じて変更できる。例えば、コントローラ３０は、旋回動作実行回数が所定回数Ｎｔｈ以上となった場合に目標ブーム角度θｔｇを小さくし、旋回時の自動調整後のブーム角度θの値を小さくできる。その結果、コントローラ３０は、旋回時の掘削アタッチメントの姿勢を常に同じにすることでブーム４の特定部分の累積疲労損傷度が早期に許容最大値に達してしまうのを防止できる。すなわち、コントローラ３０は、旋回時の掘削アタッチメントの姿勢を切り替えることで、ブーム４の他の部分の累積疲労損傷度が比較的低いにもかかわらずその特定部分の累積疲労損傷度だけが突出して高くなってしまうのを防止できる。その結果、コントローラ３０は、ブーム４の全体としての疲労寿命を延長できる。

また、コントローラ３０は、ショベルの累計稼働時間が所定時間に達した場合、所定の日時が到来した場合等、所定のタイミングで旋回時に取るべき掘削アタッチメントの姿勢を切り替えるようにしてもよい。

また、コントローラ３０は、旋回時に取るべき掘削アタッチメントの姿勢の切り替えを３段階以上で行うようにしてもよい。

次に、図９を参照し、ブーム姿勢制御処理のさらに別の構成例について説明する。なお、図９は、ブーム姿勢制御処理のさらに別の構成例の流れを示すフローチャートであり、コントローラ３０は、所定の制御周期で繰り返しこのブーム姿勢制御処理を実行する。

最初に、コントローラ３０は、ブーム４の各所定部分の累積疲労損傷度を算出する（ステップＳ２１）。本実施例では、コントローラ３０は、ショベルに取り付けられた各種センサの出力に基づき、旋回動作が行われる度に、旋回動作中にブーム４の所定部分のそれぞれに作用する応力を算出する。なお、ブーム４の所定部分は、例えば溶接部Ｒａ、Ｒｂ等を含む。また、各種センサは、角度センサ２８、ブームシリンダ圧センサ（図示せず。）等を含む。そして、角度センサ２８の出力はブーム４の姿勢を導き出すために用いられ、ブームシリンダ圧センサの出力はブーム４に作用する荷重を導き出すために用いられる。また、応力の算出には、例えば有限要素法等の数値解析手法が用いられ、ブーム４の姿勢及びブーム４に作用する荷重が境界条件として用いられる。また、コントローラ３０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所定部分のそれぞれの累積疲労損傷度を算出する。例えば、コントローラ３０は、旋回動作中に溶接部Ｒｂに作用する応力の極大値と極小値に基づき、その応力が変動する範囲である応力範囲Δσとその出現頻度ｎを応力範囲Δσ毎に導き出す。その上で、コントローラ３０は、累積疲労損傷則に基づく以下の式（１）に基づいて溶接部Ｒｂの累積疲労損傷度Ｄを導き出す。なお、破断繰り返し数Ｎは、応力範囲Δσ毎に予め設定される値であり、ｉは１以上の整数である。また、コントローラ３０は、他の所定部分のそれぞれについても同様に累積疲労損傷度Ｄを導き出す。また、コントローラ３０は、旋回動作中ばかりでなく、掘削動作、排土動作等のショベルの各種動作中にブーム４の所定部分のそれぞれに作用する応力を算出した上で、所定部分のそれぞれの累積疲労損傷度Ｄを導き出してもよい。

その後、コントローラ３０は、ブーム４の所定部分の何れかの累積疲労損傷度Ｄが予め定められた所定値Ｄｔｈ以上となったかを判定する（ステップＳ２２）。なお、所定値Ｄｔｈは、所定部分のそれぞれに共通の値であってもよく異なる値であってもよい。

そして、ブーム４の所定部分の何れかの累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上になったと判定した場合（ステップＳ２２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、その後の旋回時に取るべき掘削アタッチメントの最適な姿勢を決定する（ステップＳ２３）。本実施例では、コントローラ３０は、不揮発性メモリに予め記憶されたダメージパターンマップを参照してブーム４の最適な姿勢を決定する。ダメージパターンマップは、ブーム４の姿勢毎（例えばブーム角度θの１度毎）に、その姿勢で所定動作（例えば旋回動作）が行われたときにブーム４の所定部分のそれぞれに作用する応力を予め算出して記憶する参照用データベースである。具体的には、コントローラ３０は、ダメージパターンマップを参照し、例えば、累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上になったブーム４の所定部分に作用する旋回時応力が最小となるブーム角度θを導き出す。そして、コントローラ３０は、導き出したブーム角度θを、ブーム４を自動操作する際の目標角度である目標ブーム角度θｔｇに設定する。

以上の構成により、コントローラ３０は、ブーム４の複数の部分のそれぞれの累積疲労損傷度Ｄを継続的に算出し、何れかの累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上になったと判定した場合に、その後の旋回時の目標ブーム角度θｔｇを決定する。そして、コントローラ３０は、その後に旋回操作が行われた場合には、ブーム角度θがその目標ブーム角度θｔｇ未満となるよう、必要に応じてブーム４を自動的に上昇させる。そのため、コントローラ３０は、累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上となったブーム４の所定部分に作用する旋回時応力を低減させることができる。その結果、コントローラ３０は、ブーム４の全体としての疲労寿命を延長できる。

また、コントローラ３０は、旋回時の掘削アタッチメントの姿勢を切り替えることで、ブーム４の他の部分の累積疲労損傷度が比較的低いにもかかわらず特定部分の累積疲労損傷度だけが突出して高くなるのを防止できる。その結果、コントローラ３０は、ブーム４の全体としての疲労寿命を延長できる。

また、コントローラ３０は、各種センサの実測値から算出されるブーム４における複数の局所部分のそれぞれの累積疲労損傷度に基づいてその後の旋回時に採用すべき目標ブーム角度θｔｇを決定する。そのため、コントローラ３０は、ブーム４の所定部分の累積疲労損傷度をより高精度に推定しながらその後の旋回時に採用すべき目標ブーム角度θｔｇをより高精度に決定できる。その結果、コントローラ３０は、ブーム４の全体としての疲労寿命を延長できる。

次に、図１０を参照し、ブーム４の所定部分の累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上になったと判定した場合にコントローラ３０が旋回加速度を自動的に制限する処理（以下、「旋回加速度制限処理」とする。）について説明する。なお、図１０は、旋回加速度制限処理の流れを示すフローチャートであり、コントローラ３０は、所定の制御周期で繰り返しこの旋回加速度制限処理を実行する。なお、図１０のステップＳ３１及びＳ３２は図９のステップＳ２１及びＳ２２と共通であるため、その説明を省略する。

ブーム４の所定部分の何れかの累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上になったと判定した場合（ステップＳ３２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、その後の旋回時における旋回加速度を制限する（ステップＳ３３）。本実施例では、コントローラ３０は、累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上となった部分がブーム４の何れの部分であったとしてもその後の旋回時における旋回加速度を同じように制限する。なお、コントローラ３０は、累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上となった部分がブーム４のどの部分であるかに応じてその後の旋回時における旋回加速度の制限内容を決定してもよい。また、コントローラ３０は、旋回動作の実行回数が所定回数Ｎｔｈ以上になった場合に、ブーム４の所定部分の累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上になったと判定してその後の旋回時における旋回加速度を制限してもよい。

次に、図１１を参照し、旋回用油圧モータ２Ａの代わりに旋回用電動機（図示せず。）を搭載するショベルの旋回加速度を制限する方法について説明する。なお、図１１は、コントローラ３０が旋回用電動機の駆動制御を行う際に用いる旋回制御部３０Ａの構成例を示す機能ブロック図である。

旋回制御部３０Ａは、主に、速度指令生成部Ｅ１、加速度制限値切替部Ｅ２、加速度制限部Ｅ３、減算部Ｅ４、及びＰＩ制御部Ｅ５を有する。

速度指令生成部Ｅ１は、圧力センサ２９が出力する操作指令Ｌに基づいて速度指令Ｃ１を生成する。具体的には、速度指令生成部Ｅ１は、旋回操作レバーの操作内容に対応する操作指令Ｌと速度指令Ｃ１との対応関係を予め記憶する対応テーブルを参照し、現在の操作指令Ｌに対応する速度指令Ｃ１を生成する。そして、速度指令生成部Ｅ１は、生成した速度指令Ｃ１を加速度制限部Ｅ３に対して出力する。

加速度制限値切替部Ｅ２は、コントローラ３０による累積疲労損傷度Ｄの計算によって導き出されるダメージに基づく操作量の補正値に応じて出力値を切り替える。本実施例では、加速度制限値切替部Ｅ２は、例えば図１０の旋回加速度制限処理のステップＳ３２においてコントローラ３０がブーム４の所定部分の何れかの累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上になったと判定した場合に出力値を切り替える。具体的には、加速度制限値切替部Ｅ２は、累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ未満のときに採用していた通常加速度ａ１を低加速度ａ２に切り替えて出力値である加速度制限値ａとして出力する。なお、加速度制限値切替部Ｅ２は、旋回動作の実行回数が所定回数Ｎｔｈ以上になったとコントローラ３０が判定した場合に出力値を切り替えてもよい。

加速度制限部Ｅ３は、加速度制限値切替部Ｅ２が出力する加速度制限値ａを用いて速度指令生成部Ｅ１が出力する速度指令Ｃ１を調整して速度指令Ｃ２を生成する。そして、生成した速度指令Ｃ２を減算部Ｅ４に対して出力する。本実施例では、加速度制限部Ｅ３は、前回の制御周期で生成した速度指令Ｃ２と今回の制御周期で取得した速度指令Ｃ１との差が加速度制限値ａ以下となるように速度指令Ｃ２を新たに生成する。具体的には、その差が加速度制限値ａ未満であれば今回の制御周期で取得した速度指令Ｃ１をそのまま速度指令Ｃ２として出力する。一方で、その差が加速度制限値ａ以上であれば、前回の制御周期で取得した速度指令Ｃ２に加速度制限値ａを加算した値（速度指令増加時の値）、又は前回の制御周期で取得した速度指令Ｃ２から加速度制限値ａを減算した値（速度指令減少時の値）を速度指令Ｃ２として出力する。

減算部Ｅ４は、速度指令Ｃ２と旋回速度Ｖとの偏差ΔＶをＰＩ制御部Ｅ５に対して出力する。旋回速度Ｖは、例えばレゾルバ等の旋回速度検出部（図示せず。）が出力する値である。

ＰＩ制御部Ｅ５は、減算部Ｅ４が出力する偏差に基づいてＰＩ制御を実行する。本実施例では、ＰＩ制御部Ｅ５は、旋回速度Ｖが速度指令Ｃ２に近づくようにトルク指令Ｔを生成して出力する。具体的には、コントローラ３０は、旋回用電動機駆動用インバータのトランジスタをスイッチング制御するＰＷＭ信号生成部（図示せず。）に対してトルク指令Ｔを出力する。ＰＷＭ信号生成部は、トルク指令Ｔに応じて生成したＰＷＭ信号を旋回用電動機駆動用インバータに対して出力する。そして、旋回用電動機駆動用インバータは、ＰＷＭ信号に応じて旋回用電動機に電流を供給し、旋回速度Ｖが速度指令Ｃ２に対応する旋回速度となるよう旋回用電動機を回転駆動させる。

以上の構成により、コントローラ３０は、ブーム４の所定部分のそれぞれの累積疲労損傷度Ｄを継続的に算出し、何れかの累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上になったと判定した場合に、その後に行われる旋回時の旋回加速度を制限する。上部旋回体３を急加速、急減速、或いは急停止させないようにするためである。そのため、コントローラ３０は、累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上となったブーム４の所定部分に作用する旋回時応力を低減させることができる。その結果、コントローラ３０は、ブーム４の全体としての疲労寿命を延長できる。

また、コントローラ３０は、旋回動作の実行回数が所定回数Ｎｔｈ以上になった場合に、ブーム４の所定部分の累積疲労損傷度Ｄが所定値Ｄｔｈ以上となったと判定してその後に行われる旋回時の旋回加速度を制限してもよい。この場合もコントローラ３０は、その後の旋回動作において、累積疲労損傷度が高くなったと推定されるブーム４の所定部分に作用する旋回時応力を低減させることができる。その結果、コントローラ３０は、ブーム４の全体としての疲労寿命を延長できる。

また、コントローラ３０は、ブーム角度θの自動調整と旋回加速度の制限とを組み合わせてもよい。具体的には、コントローラ３０は、ブーム４の所定部分の累積疲労損傷度が高くなったと推定される場合に、その後の旋回時の目標ブーム角度θｔｇを小さくした上で旋回加速度を制限してもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、コントローラ３０は、旋回動作の際にブーム４に作用する応力が所定値以下となるように、掘削動作の際の掘削アタッチメントの姿勢を自動的に制御してもよい。具体的には、コントローラ３０は、掘削アタッチメントによる掘削深さが浅くなるように、すなわち掘削完了時のバケット６における土砂の重量が小さくなるように掘削動作の際の掘削アタッチメントの姿勢を自動的に制御してもよい。また、コントローラ３０は、ブーム４の所定部分の累積疲労損傷度が高くなったと推定した場合、その後の掘削動作の際の掘削アタッチメントの姿勢を自動的に制御してもよい。この場合、コントローラ３０は、ブーム４の所定部分の累積疲労損傷度が高くなったと推定する前に行われた掘削動作の際の平均的な掘削深さよりも所定深さΔｈだけ浅い掘削深さをその推定後の許容最大掘削深さとしてもよい。

また、上述の実施例に係るショベルは操作者が操作する有人作業機として機能する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、本発明の実施例に係るショベルは、予め設定されたスケジュールにしたがって自律的に動作する無人作業機であってもよい。

図１２は、自動操作機構３１の別の構成例を示す図である。また、図１２は、ブームシリンダ７に対応する流量制御弁１７６に接続される構成を代表例として示す。なお、図示は省略するが、図１２の自動操作機構３１は、旋回用油圧モータ２Ａに対応する流量制御弁１７３等の他の流量制御弁にも同様に接続され得る。また、図１２の自動操作機構３１は、電磁切替弁３４を含む点で図３の自動操作機構３１と相違するがその他の点で共通する。そのため、共通部分の説明を省略し、相違部分を詳細に説明する。

電磁切替弁３４は、２ポート２位置の切替弁であり、コントローラ３０からの制御指令に応じて弁位置を第１弁位置及び第２弁位置のうちの何れかに切り替える。なお、図中の括弧内の数字は弁位置の番号を表す。

第１弁位置は、パイロットポンプ１５の吐出圧をブーム操作レバー２６Ａに導入させる弁位置である。また、第２弁位置は、パイロットポンプ１５とブーム操作レバー２６Ａとの間の連通を遮断する弁位置である。

例えば、コントローラ３０は、ショベルを有人作業機として動作させる場合には、電磁切替弁３４を第１弁位置とし、且つ、電磁切替弁３３Ｌ、３３Ｒの双方を第２弁位置とし、ブーム操作レバー２６Ａが生成するパイロット圧が流量制御弁１７６のパイロットポートに作用できるようにする。一方で、ショベルを無人作業機として動作させる場合には、コントローラ３０は、電磁切替弁３４を第２弁位置とし、パイロットポンプ１５とブーム操作レバー２６Ａとの間の連通を遮断する。そして、電磁減圧弁３２で所望の二次圧を生成させた上で電磁切替弁３３Ｌ及び電磁切替弁３３Ｒのうちの一方を第１弁位置に切り替え他方を第３弁位置に切り替える。そして、コントローラ３０は、その二次圧を流量制御弁１７６の左右のパイロットポートのうちの一つに作用させ、且つ、流量制御弁１７６の左右のパイロットポートの他方にある作動油を作動油タンクに流出させる。

この構成により、コントローラ３０は、流量制御弁１７１〜１７６を自動的に駆動し、ショベルを自動的に動作させることができる。また、コントローラ３０は、ブーム４の疲労寿命の短縮を防止するため、旋回時のブーム４の姿勢を自動的に制御できる。

１・・・下部走行体１Ａ・・・走行用油圧モータ（左用）１Ｂ・・・走行用油圧モータ（右用）２・・・旋回機構２Ａ・・・旋回用油圧モータ３・・・上部旋回体４・・・ブーム４ａ・・・アームシリンダフートブラケット４ｂ・・・センターボス４ｃ・・・ブームフートピン５・・・アーム６・・・バケット７・・・ブームシリンダ８・・・アームシリンダ９・・・バケットシリンダ１０・・・キャビン１１・・・エンジン１４Ｌ、１４Ｒ・・・メインポンプ１５・・・パイロットポンプ１７・・・コントロールバルブ２５・・・パイロットライン２６・・・操作装置２６Ａ・・・ブーム操作レバー２８・・・角度センサ２９、２９Ａ・・・圧力センサ３０・・・コントローラ３０Ａ・・・旋回制御部３１・・・自動操作機構３２・・・電磁減圧弁３３Ｌ、３３Ｒ・・・電磁切替弁３４・・・電磁切替弁４０Ｌ、４０Ｒ・・・センターバイパス管路１７１〜１７６・・・流量制御弁Ｅ１・・・速度指令生成部Ｅ２・・・加速度制限値切替部Ｅ３・・・加速度制限部Ｅ４・・・減算部Ｅ５・・・ＰＩ制御部

Claims

下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントを構成する作業要素と、
前記上部旋回体及び前記作業要素の動きを制御する制御装置と、を有し、
前記制御装置は、掘削動作の終了後、旋回動作が行われる前に、前記作業要素に作用する応力が低減するように、前記作業要素の旋回半径を自動的に制御する、
ショベル。
前記制御装置は、前記作業要素の旋回時の姿勢と前記作業要素に作用する応力との対応関係を予め定めた参照用データベースを参照し、旋回動作が行われる際の前記作業要素の姿勢を決定する、
請求項１に記載のショベル。
前記制御装置は、前記作業要素の累積疲労損傷度が所定値に達したと判定した場合に、前記上部旋回体の旋回加速度を制限する、
請求項１に記載のショベル。
前記制御装置は、旋回動作が行われる前に前記作業要素の動きを自動的に制御して旋回半径を小さくする、
請求項１乃至３の何れかに記載のショベル。
前記制御装置は、前記作業要素の累積疲労損傷度の増加に応じて前記上部旋回体及び前記作業要素の少なくとも一つを制御する、
請求項１乃至４の何れかに記載のショベル。
前記制御装置は、更に、掘削動作の際に、掘削動作の終了時のバケットにおける土砂の重量が小さくなるように、前記作業要素の動きを自動的に制御して前記アタッチメントによる掘削深さを変化させる、
請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。
前記制御装置は、掘削動作を含むショベルの動作中に前記作業要素に作用する応力を算出する、
請求項１乃至６の何れか一項に記載のショベル。