JP6816762B2 - 故障診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械の動作を停止させるアンロード回路の故障診断装置に関する。

一般に、建設機械のアクチュエータは、油圧システムによって駆動される。油圧システムには、油圧ポンプと方向制御弁とを連絡するポンプ回路から分岐して、油圧ポンプからの作動油を無負荷で油圧タンクに戻すためのアンロード回路が設けられている（例えば、特許文献１の図２）。

建設機械の一分野に属する移動式クレーンの油圧システムにおいてもアンロード回路が設けられている。移動式クレーンには、クレーン作業時の安定限界を超えないように、あるいは強度限界を超えないようするために、移動式クレーンの作業時の安定限界あるいは強度限界を常時監視する安全装置が設けられている。そして、限界を超えるような場合には、安全装置によりアンロード回路が作動し、移動式クレーンのアクチュエータ（例えば、起伏シリンダ）の動作を自動停止させることで、安全性が確保されている。

特開２０１４−１２５７７４号公報

しかし、アンロード回路が故障すると、クレーン作業中にアクチュエータが自動停止せず、安定限界あるいは強度限界を超えてしまい、移動式クレーンの転倒あるいは損傷につながるおそれがある。

本発明は、油圧システムにおけるアンロード回路の故障を確実に発見することができる故障診断装置を提供することを目的とする。

本発明に係る故障診断装置は、
油圧ポンプと方向制御弁とを連絡するポンプ油路と、
前記方向制御弁と油圧タンクとを連絡するタンク油路と、
前記ポンプ油路とタンク油路との間に介装された圧力補償付流量調整弁と、
前記ポンプ油路とタンク油路との間に介装されたパイロット作動型リリーフ弁と、
前記パイロット作動型リリーフ弁のベント油路に介装されたアンロード用ソレノイド弁と、を備えたアンロード回路の故障診断装置であって、
前記ポンプ油路の圧力を計測する圧力センサーと、
前記圧力センサーからの圧力信号を受け取るコントローラと、を備え、
前記コントローラは、アンロード時の第１のポンプ油路圧とオンロード時の第２のポンプ油路圧との差圧に基づいて、前記アンロード回路の故障診断を行うことを特徴とする。

本発明に係る故障診断装置によれば、油圧システムにおけるアンロード回路の故障を確実に発見することができる。したがって、油圧システムを搭載する建設機械の安全性及び信頼性が格段に向上する。

移動式クレーンの作業状態を示している図である。 移動式クレーンの油圧システムの一例を示す図である。 アンロード回路の故障診断装置の動作を説明するフローチャートである。 ポンプ駆動開始時におけるポンプ油路の圧力変化のグラフである。 アンロード回路のオンロード状態を示す図である。

図１は、本発明の故障診断装置が搭載される建設機械の好適な例として移動式クレーン３０のクレーン作業時の状態を示している。図１では、移動式クレーン３０は、下部フレーム３１の前後に設けられたアウトリガ３２のジャッキシリンダ３３が伸長し、移動式クレーン３０全体をジャッキアップしたクレーン作業姿勢となっている。

旋回台３４は、下部フレーム３１の上面に、旋回自在に搭載されている。伸縮ブーム３５は、起伏自在となるようピン３６により旋回台３４と連結されている。伸縮ブーム３５は、旋回台３４に対し起伏シリンダ３７により起伏駆動される。

伸縮ブーム３５は、内部に配置された伸縮シリンダ（図示略）により伸縮駆動される。ワイヤロープ３８が、旋回台３４に配置されたウインチ（図示略）から繰り出され、伸縮ブーム３５の背面に沿って伸縮ブーム先端３９に導かれている。さらに、ワイヤロープ３８は、伸縮ブーム先端３９のシーブ４０に掛け回され、その先端にフック４１を吊り下げている。フック４１には吊り荷４３が吊り下げられている。なお、旋回台３４に配置されたもう一つのウインチから繰り出されるワイヤには、フック４２が吊り下げられている。

移動式クレーン３０は、アウトリガ３２の４本のジャッキシリンダ３３により安定的に支持された状態にある。このとき、移動式クレーン３０各部の強度状態は制限内となっている。このクレーン作業姿勢から、今仮に起伏シリンダ３７を縮小させ伸縮ブーム３５を倒伏させていくとすると、吊り荷４３の作業半径は増大していく。それに伴い、移動式クレーン３０の安定状態は所定の安定限界に近づくとともに、移動式クレーン３０各部の強度状態も所定の強度限界に近づく。安定状態が安定限界に近づく、又は強度状態が強度限界に近づくと、移動式クレーン３０の安全装置が働き、起伏シリンダ３７の油圧システムにおけるアンロード回路が作動する。これにより、伸縮ブーム３５の倒伏動作が自動停止され、安定限界又は強度限界を超えないようになっている。

図２は、移動式クレーン３０の油圧システムの一例を示す図である。油圧システムは、移動式クレーン３０の油圧アクチュエータ８を駆動する油圧回路１を備える。油圧回路１は、油圧アクチュエータ８を動作させないときには作動油を無負荷で流通させることができるアンロード回路で構成される（以下、「アンロード回路１」と称する）。図２では、アンロード回路１は、アンロード状態となっている。

アンロード回路１は、ポンプ油路３、油圧ポンプ４、方向制御弁５、タンク油路６、油圧タンク７、圧力補償付流量調整弁１０、パイロット作動型リリーフ弁１２、及びアンロード用ソレノイド弁１６を有する。アンロード回路１は、通常のクレーン作業時はオンロード状態に保持され、安全装置２によって安定限界又は強度限界が近いことが検出された場合にアンロード状態に切り替えられる。

方向制御弁５は、パイロット圧によって駆動方向が切り換えられ、油圧ポンプ４からの作動油をコントロールして油圧アクチュエータ８に供給する。方向制御弁５は、パイロット圧が供給されていないときにすべてのポートが閉状態となるクローズドセンタ形の制御弁である。

ポンプ油路３は、油圧ポンプ４と方向制御弁５を連絡する。タンク油路６は、方向制御弁５と油圧タンク７とを連絡する。油圧アクチュエータ８は、方向制御弁５によって油圧ポンプ４からの作動油が一方の油室に供給されることにより、駆動される。

圧力補償付流量調整弁１０は、ポンプ油路３とタンク油路６との間に介装され、方向制御弁５の入口と出口の圧力差を一定に保つ（圧力補償する）。これにより、油圧アクチュエータ８の負荷が変動することにより作動圧が変動しても、作動油は、方向制御弁５の開度に応じた所定の流量で油圧アクチュエータ８に供給される。

なお、移動式クレーン３０には多くの油圧アクチュエータ８が搭載されるが、図２では油圧アクチュエータ８が油圧シリンダ（例えば、図１に示す起伏シリンダ３７）で構成される場合について示している。

パイロット作動型リリーフ弁１２は、親弁１３、子弁１４及びベント油路１５を有し、ポンプ油路３とタンク油路６との間に介装される。親弁１３のベント油路１５には子弁１４が介装されている。パイロット作動型リリーフ弁１２では、ベント油路１５に設けられた子弁１４の設定圧力で親弁１３のパイロット操作が行われるので、リリーフ性能が良く、圧力の制御が容易であるという特性を持っている。

アンロード用ソレノイド弁１６は、子弁１４をバイパスするようにベント油路１５に設けられている。アンロード用ソレノイド弁１６は、図２に示すように、非通電のとき連通側（出力ポートと入力ポートが連通している状態）に切り換わって子弁１４をバイパスする。一方、アンロード用ソレノイド弁１６は、通電されると遮断側（出力ポートと入力ポートが遮断された状態）に切り替わる（図５参照）。

図２では、アンロード用ソレノイド弁１６が連通側となっており、ベント油路１５が油圧タンク７に連通しているため、ベント油路圧は０となり親弁１３は開弁している。そのため、油圧ポンプ４から吐出された作動油は、ポンプ油路３からパイロット作動型リリーフ弁１２の親弁１３を通ってタンク油路６に流れ込み、タンクに戻る（いわゆるアンロード状態）。

油圧ポンプ４は、ＰＴＯ（Power take-off）２０を介してエンジン２１に接続されている。ＰＴＯ２０は、エンジン２１の動力を油圧ポンプ４に伝達する。

安全装置２は、圧力センサー２２、コントローラ２３、クレーン状態検出器２４及び警報器２５を有する。

圧力センサー２２は、ポンプ油路３に設置され、ポンプ油路３の圧力（以下、「ポンプ油路圧」と称する）を測定する。圧力センサー２２の圧力信号は、コントローラ２３に送られる。圧力センサー２２からの圧力信号に基づいて、アンロード回路１の故障診断が行われる。アンロード回路１の故障診断は、後述する診断フローに従って行われる。

警報器２５は、移動式クレーン３０の運転室（符号略）に配置され、コントローラ２３からの警報信号に従って、警報を発する。コントローラ２３は、圧力センサー２２からの圧力信号に基づいて、アンロード回路１を故障と診断したときに、警報器２５に向けて警報信号を出力する。

クレーン状態検出器２４は、移動式クレーン３０のクレーン作業時のクレーンの姿勢と負荷を検出する。具体的には、アウトリガ３２の張出幅、旋回フレーム３４の旋回角、伸縮ブーム３５の伸縮長さと起伏角、及び吊り荷４３による負荷を検出する。検出結果は、クレーン状態信号（クレーンの姿勢と負荷）として、コントローラ２３に送られる。

移動式クレーン３０のクレーン作業中には、コントローラ２３は、常時クレーン状態検出器２４からのクレーン状態信号を受け取っている。また、コントローラ２３は、クレーンの作業姿勢ごとの安定限界と強度限界のデータを記憶しており、受け取ったクレーン状態信号との比較を行う。

コントローラ２３は、移動式クレーン３０が安定限界あるいは強度限界を超えそうなときは、アンロード用ソレノイド弁１６に対する通電を止めることにより、アンロード用ソレノイド弁１６を連通側へ切り換える。すると、ベント油路１５が油圧タンク７と連通し、ポンプ油路３からの作動油は、パイロット作動型リリーフ弁１２の親弁１３を経由してタンク油路６へ流れる。すなわち、アンロード回路１はアンロード状態となる。これにより、油圧アクチュエータ８へ作動油が流れなくなるため、移動式クレーンは自動停止する。

また、コントローラ２３は、圧力センサー２２からの圧力信号に基づいて、アンロード回路１の故障診断を行う。すなわち、コントローラ２３及び圧力センサー２２によって、アンロード回路１の故障診断装置が構成される。アンロード回路１の故障診断を、図３に示すフローチャート及び図４に示すグラフに基づいて説明する。

ＳＴＥＰ１では、ＰＴＯ２０がエンジン２１に接続される。これにより、エンジン２１の動力が油圧ポンプ４に伝達され、油圧ポンプ４は回転駆動を開始する（図４に示す時間Ｔ１）。このとき、アンロード用ソレノイド弁１６は、コントローラ２３から通電されない非励磁状態のままとなっている。そのため、アンロード回路１はアンロード状態にある。

ＳＴＥＰ２では、圧力センサー２２がアンロード時のポンプ油路３の圧力Ｐ１（以下、「ポンプ油路圧Ｐ１」と称する）を計測する。なお、アンロード時のポンプ油路圧Ｐ１は、アンロード回路１がアンロード状態となるようにアンロード用ソレノイド弁１６が制御されたときのポンプ油路圧であり、アンロード回路１が実際にアンロード状態となっているときのポンプ油路圧ではない。

アンロード状態では、エンジン２１の動力が油圧ポンプ４に伝達されるが、油圧アクチュエータ８には作動油が供給されないので、クレーンは動作しない。よって、アンロード状態では、エンジン２１はアイドリング状態となり、油圧ポンプ４の吐出量は、アイドリング状態であるときに油圧ポンプ４が吐出する作動油の量となる。アイドリング状態では、油圧ポンプ４からの作動油は、親弁１３、タンク油路６を通って、油圧タンク７に戻る。親弁１３での圧力損出をΔｐ１、タンク油路６での圧力損出をΔｐ２とすると、油圧タンク７での油圧ｐ０＝０より、ポンプ油路圧Ｐ１＝Δｐ１＋Δｐ２が発生する。

図４に示すように、このアンロード状態がΔＴ秒間継続される。具体的には、ＰＴＯ２０をエンジン２１に接続して油圧ポンプ２０が駆動され、作動油がポンプ油路３に吐出され始めてから、アンロード時のポンプ油路圧Ｐ１が安定するまでの時間、アンロード状態が継続される。コントローラ２３は、圧力センサー２２が計測したポンプ油路圧Ｐ１を示す圧力信号を受け取り記憶する。

ＳＴＥＰ３では、アンロード回路１がオンロード状態に切り換えられる（図４に示す時間Ｔ２）。オンロード状態に切り換えられたアンロード回路１を図５に示す。具体的には、コントローラ２３からアンロード用ソレノイド弁１６に通電が行われることで、アンロード用ソレノイド弁１６が遮断側に切り換えられる。ベント油路１５とタンク７とが遮断されることにより、ベント油路１５の圧力が上昇し、パイロット作動型リリーフ弁１２の親弁１３が閉じられる。

なお、図５に示すオンロード状態では、ポンプ油路３の圧力がパイロットリリーフ弁１２の子弁１４の設定圧まで上昇すると、子弁１４が開くことで親弁１３が開く。これにより、パイロット作動型リリーフ弁１２は、ポンプ油路３の作動油をタンク油路６に逃がす本来の安全弁としての機能を発揮する。

図５に示すように、方向制御弁５はクローズドセンタ形であり、パイロット圧が供給されていない状態では中立状態となっている。したがって、コントローラ２３がアンロード回路１をオンロード状態に切り換えた時点（図４の時間Ｔ２）では、方向制御弁５を経由して油圧アクチュエータ８に作動油が流れることはない。よって、エンジン２１はアイドリング状態のままである。

油圧ポンプ４から吐出された作動油は、油圧アクチュエータ８には流れず、ポンプ油路３から圧力補償付流量調整弁１０を経由してタンク油路６に流れる。圧力補償付流量調整弁１０は閉じ側に向けバネ１１で付勢されているので、バネ１１の付勢力に打ち勝って圧力補償付流量調整弁１０を作動油が流れるための圧力Ｐｃ（以下、「補償圧力Ｐｃ」と称する）がポンプ油路３に発生する。

ＳＴＥＰ４では、圧力センサー２２がオンロード時のポンプ油路圧Ｐ２を計測する。なお、オンロード時のポンプ油路圧Ｐ２は、アンロード回路１がオンロード状態となるようにアンロード用ソレノイド弁１６が制御されたときのポンプ油路圧であり、アンロード回路１が実際にオンロード状態となっているときのポンプ油路圧ではない。ポンプ油路圧Ｐ２は、アンロード回路１がオンロード状態に切り替えられた後、ポンプ油路３の圧力が安定してから計測されるのが好ましい。図４に示す時間Ｔ３でポンプ油路圧Ｐ２が圧力センサー２２によって計測され、その圧力信号がコントローラ２３に送られる。

ＳＴＥＰ５では、コントローラ２３内部で、記憶していたアンロード時のポンプ油路圧Ｐ１とオンロード時のポンプ油路圧Ｐ２との差圧ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１が演算される。

ＳＴＥＰ６では、コントローラ２３内部で差圧ΔＰが所定値と比較される。所定値は、予め実験的に求められたオンロード時のポンプ油路圧Ｐ２の正常値と、アンロード時のポンプ油路圧Ｐ１の正常値に基づいて設定される。具体的には、所定値は、オンロード時のポンプ油路圧Ｐ２が正常値（補償圧力Ｐｃ）であり、かつ、アンロード時のポンプ油路圧Ｐ１が正常値（低い値）である場合の差圧ΔＰよりも測定誤差を考慮した分だけ小さい値に設定される。

差圧ΔＰが所定値より大きい場合、ＳＴＥＰ７でアンロード回路１は正常と診断される。この場合、ＳＴＥＰ８において、移動式クレーン３０におけるクレーン作業が可能となる。

差圧ΔＰが所定値以下である場合、ＳＴＥＰ９において、アンロード回路１は故障と診断される。この場合、ＳＴＥＰ１０において、コントローラ２３から警報器２５に警報信号が送られる。警報器２５は警報を発し、移動式クレー３０におけるクレーン作業は不能となる。

故障の原因として以下の場合が想定される。
例えば、アンロード用ソレノイド弁１６が、断線又はコンタミにより連通側（図２参照）で動かなくなった場合には、通電しても遮断側に切り換わらないため、アンロード状態のままとなり、図４の時間Ｔ３で計測したポンプ油路圧Ｐ２はアンロード時のポンプ油路圧Ｐ１と同じになる。したがって、差圧ΔＰは所定値以下（具体的には０）となり、故障と判定される。

また例えば、アンロード用ソレノイド弁１６が、断線又はコンタミにより遮断側（図５参照）で動かなくなった場合、通電をやめても連通側に切り換わらないため、オンロード状態のままとなり、図４に示したΔＴの間（Ｔ１からＴ２の間）に計測したポンプ油路圧Ｐ１はオンロード時のポンプ油路圧Ｐ２と同じになる。したがって、差圧ΔＰは所定値以下（具体的には０）となり、故障と判定される。

このように、アンロード回路１は、油圧ポンプ４と方向制御弁５とを連絡するポンプ油路３と、方向制御弁５と油圧タンク７とを連絡するタンク油路６と、ポンプ油路３とタンク油路７との間に介装された圧力補償付流量調整弁１０と、ポンプ油路３とタンク油路６との間に介装されたパイロット作動型リリーフ弁１２と、パイロット作動型リリーフ弁１２のベント油路１５に介装されたアンロード用ソレノイド弁１６と、を備える。アンロード回路１の故障診断装置は、ポンプ油路３の圧力を計測する圧力センサー２２と、圧力センサー２２からの圧力信号を受け取るコントローラ２３と、を備える。コントローラ２３は、アンロード時のポンプ油路圧Ｐ１（第１のポンプ油路圧）とオンロード時のポンプ油路圧Ｐ２（第２のポンプ油路圧）との差圧ΔＰに基づいて、アンロード回路１の故障診断を行う。

具体的には、コントローラ２３は、差圧ΔＰが所定値以下の場合にアンロード回路１が故障したと診断する。

故障診断装置は、差圧ΔＰに基づいてアンロード回路１の故障診断を行うので、温度変化（粘性変化）に伴う圧力変化が相殺されることとなり、アンロード回路１が正常にアンロード状態又はオンロード状態に切り換えられるか否かを確実に診断することができる。また、差圧ΔＰを利用して診断するため、圧力センサー２２の特性のばらつきによる影響を受けず、確実に故障診断を行うことができる。したがって、移動式クレーン３０の安全装置２による自動停止が確実に行われることが担保されるので、移動式クレーン３０の安全性及び信頼性が格段に向上する。

また、コントローラ２３は、油圧ポンプ４が駆動開始されたことを条件として、アンロード回路１の故障診断を行う。すなわち、クレーン作業に入るとき必ず行われるＰＴＯ２０の接続操作を条件に、アンロード回路１の故障診断が自動的に行われるので、作業前点検として確実にアンロード回路１の故障を発見することができる。

さらに、油圧ポンプ４は、ＰＴＯ２０を介して駆動されており、コントローラ２３は、油圧ポンプ４の駆動開始後、所定時間アンロード状態を維持した後のポンプ油路圧Ｐ１（第１のポンプ油路圧）と、オンロード状態に切り替えた後のポンプ油路圧Ｐ２（第２の油路圧）との差圧に基づいて、アンロード回路１の故障診断を行う。これにより、油圧ポンプ４の駆動直後の不安定な状態におけるポンプ油路圧Ｐ１ではなく、安定した状態におけるポンプ油路圧Ｐ１を用いて差圧ΔＰが算出されるので、誤診断を防止することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記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で変更可能である。

例えば、実施の形態では、移動式クレーン３０の油圧アクチュエータ８（起伏シリンダ３７）を駆動する油圧システムについて説明したが、本発明は、その他のアクチュエータ（例えば、伸縮シリンダ）の油圧システムに適用することもできる。また、本発明は、移動式クレーン以外の建設機械の油圧システムに適用することもできる。

また例えば、実施の形態では、エンジンがアイドリング状態であるときの診断例を説明したが、故障診断時のエンジン回転数はアイドリング時の回転数でなくてもよい。すなわち、エンジン回転数が増加することによるポンプ吐出量の増加に伴いポンプ油路圧Ｐ１、Ｐ２が変化しても、その変化が差圧ΔＰよりも小さければ、実施の形態と同様にアンロード回路の故障診断が可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２０１６年３月２４日出願の特願２０１６−０５９４８６の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

１ アンロード回路
２ 安全装置
３ ポンプ油路
４ 油圧ポンプ
５ 方向制御弁
６ タンク油路
７ 油圧タンク
８ 油圧アクチュエータ
１０ 圧力補償付流量調整弁
１２ パイロット作動型リリーフ弁
１５ ベント油路
１６ アンロード用ソレノイド弁
２０ ＰＴＯ
２２ 圧力センサー（故障診断装置）
２３ コントローラ（故障診断装置）

Claims (4)

1. 油圧ポンプと方向制御弁とを連絡するポンプ油路と、
   前記方向制御弁と油圧タンクとを連絡するタンク油路と、
   前記ポンプ油路とタンク油路との間に介装された圧力補償付流量調整弁と、
   前記ポンプ油路とタンク油路との間に介装されたパイロット作動型リリーフ弁と、
   前記パイロット作動型リリーフ弁のベント油路に介装されたアンロード用ソレノイド弁と、を備えたアンロード回路の故障診断装置であって、
   前記ポンプ油路の圧力を計測する圧力センサーと、
   前記圧力センサーからの圧力信号を受け取るコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、アンロード時の第１のポンプ油路圧とオンロード時の第２のポンプ油路圧との差圧に基づいて、前記アンロード回路の故障診断を行うことを特徴とする故障診断装置。
2. 前記コントローラは、前記差圧が所定値以下の場合に前記アンロード回路が故障したと診断することを特徴とする請求項１に記載の故障診断装置。
3. 前記コントローラは、前記油圧ポンプが駆動開始されたことを条件として、前記アンロード回路の故障診断を行うことを特徴とする請求項１に記載の故障診断装置。
4. 前記油圧ポンプは、ＰＴＯを介して駆動されており、
   前記コントローラは、前記油圧ポンプの駆動開始後、所定時間アンロード状態を維持した後の前記第１のポンプ油路圧と、オンロード状態に切り替えた後の前記第２のポンプ油路圧との差圧に基づいて、前記アンロード回路の故障診断を行うことを特徴とする請求項３に記載の故障診断装置。

Images