JP6968942B2 - 建設機械の油圧装置の回転速度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、油圧装置の回転速度を測定する方法に関し、特に、簡単に油圧装置の回転速度を測定することが出来る建設機械の油圧装置の回転速度測定方法に関する。

一般に、油圧ピストンポンプは、エンジンや電気モータなどから駆動される機械エネルギーを流体のエネルギーに変換させる装置である。このような油圧ピストンポンプは、流体のエネルギーを供給されてピストンを往復運動させ、この運動が駆動軸を回転させることで機械エネルギーに変換させる駆動装置であって、優れた出力密度を有すると共に良い出力を有するため、建設機械などに広く使用されている。

本発明の目的は、簡単に油圧装置の回転速度を測定することが出来る、建設機械の油圧装置の回転速度測定方法を提供することにある。

上述の目的を達成するための本発明に係る建設機械の油圧装置の回転速度測定方法は、油圧装置の圧力脈動を検出するステップ；前記圧力脈動をフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）変換するステップ；前記フーリエ変換された圧力脈動に基づいて前記油圧装置の回転速度を検出するステップ；を含む。

油圧装置の圧力脈動を検出するステップは、圧力脈動周波数を、予め設定された時間によって規則的に検出するステップを含む。

前記油圧装置の回転速度は、前記油圧装置に含まれたピストンの個数、前記フーリエ変換された圧力脈動の第ｎ−１の周波数成分、及び第ｎの周波数成分に基づいて算出される。

前記油圧装置の回転速度ω_ｒｐｍは、下記の数１によって算出され、
数１：ω_ｒｐｍ＝６０*（ｆ_ｎ−ｆ_ｎ−１）／Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}
前記数１中の、ｆ_ｎは、第ｎの周波数成分の周波数を表し、ｆ_ｎ−１は、第ｎ−１の周波数成分の周波数を表し、及び、Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}は、油圧装置のピストンの個数又はギヤの歯数を表す。

前記油圧装置の回転速度ω_ｒｐｍは、下記の数２によって算出され、
数２：ω_ｒｐｍ＝６０*ｆ_ｍａｘ／Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}
前記数２中の、ｆ_ｍａｘは、最大振幅を有する周波数成分の周波数を表し、及び、Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}は、油圧装置のピストンの個数又はギヤの歯数を表す。

前記油圧装置の回転速度ω_ｒｐｍは、下記の数３によって算出され、
数３：ω_ｒｐｍ＝６０*ｆ_ｃ／Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}
前記数３中の、ｆ_ｃは、隣接周波数成分間の差の周波数に対する、平均周波数に最も近接した周波数成分の周波数を表し、及び、Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}は、油圧装置のピストンの個数又はギヤの歯数を表す。

前記圧力脈動は、前記油圧装置のセンサによって検出される。

前記センサは、圧力センサ及び振動センサのうちの少なくとも１つを含む。

本発明に係る油圧装置の回転速度測定方法によれば、既存の圧力センサを活用して獲得した圧力脈動をフーリエ変換し、このフーリエ変換された圧力脈動に基づいて油圧装置（又は、油圧部品）の回転速度を検出することが可能である。従って、単純な方法で油圧装置の故障診断を行うことができ、また、油圧装置の寿命を予測することができる。

本発明の一実施例に係るアキシアルピストンポンプにおいてロータリー部の構造を示す断面斜視図である。 本発明の一実施例に係るアキシアルピストンポンプの例を概略的に示す縦断面図である。 油圧装置から測定された圧力脈動の波形を示す図である。 図３の圧力脈動波形から特定期間中の圧力脈動を拡大して示す図である。 図４の圧力脈動波形の高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）による処理時の波形を示す図である。 図５の周波数成分の周波数及び数式に基づいて算出された各期間別の油圧装置の回転速度を示す図である。 本発明の油圧装置の回転速度測定方法を示す図である。

本発明の利点及び特徴、並びにその達成方法は、添付の図面と共に詳述される実施例によって明確になるだろう。しかし、本発明は、下記に開示される実施例に限定されるものではなく、種々の形態に具現可能であり、但し、本実施例は、本発明の完全な開示のため、また、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に理解させるために提供されるものであり、本発明は、請求範囲の範疇により定義される。従って、いくつかの実施例において、周知の工程ステップ、周知の素子構造、及び周知の技術については、本発明の曖昧な解釈を回避するため、具体的な説明を省略する。明細書全般にわたって同一の参照符号は、同一の構成要素を指称する。

図面において、種々の層及び領域を明確に表現するため、厚さを誇張して示す。明細書全般にわたって、類似した部分には同じ図面符号を付してある。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」にあるとは、他の部分の「真上」にある場合だけでなく、その中間にまた他の部分が存在する場合をも含む。反対に、ある部分が他の部分の「真上」にあるとは、中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「下」にあるとは、他の部分の「真下」にある場合だけでなく、その中間にまた他の部分が存在する場合をも含む。反対に、ある部分が他の部分の「真下」にあるとは、中間に他の部分が存在しないことを意味する。

空間的に相対的な用語である、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「下方（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」などは、図面に示されるように、１つの素子又は構成要素と他の素子又は構成要素との相関関係を容易に記述するために使用されることがある。空間的に相対的な用語は、図面に示されている方向に加え、使用時又は動作時、素子の互いに異なる方向を含む用語として理解されるべきである。例えば、図面に示されている素子を裏返す場合、他の素子の「下（ｂｅｌｏｗ）」又は「下方（ｂｅｎｅａｔｈ）」と記述された素子は、他の素子の「上（ａｂｏｖｅ）」に位置されるようになる。従って、例示的な用語である「下」は、上と下の両方を含むことができる。素子は、他の方向への配向が可能であり、それで、空間的に相対的な用語は、配向によって解釈することができる。

本発明において、ある部分が他の部分と連結されているとは、直接に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで電気的に連結されている場合を含む。また、ある部分がある構成要素を含むとは、特に反対の記述がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素を更に含むことが可能であることを意味する。

本発明書において、第１、第２、第３などの用語は、種々の構成要素を説明するにあたって使用可能であるが、このような構成要素が前記用語によって限定されることはない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用される。例えば、本発明の権利範囲から逸脱することなく、第１の構成要素を第２又は第３の構成要素などと命名することができ、同様に、第２又は第３の構成要素は、交互して命名することができる。

特に断りのない限り、本明細書中に使用される全ての用語（技術及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が共通して理解することができる意味として使用され得る。なお、一般的に使用される辞典に定義された用語は、別段の定義のない限り、理想的又は過度に解釈されない。

以下、図１〜図７を参照して、本発明に係る油圧装置の回転速度測定方法を詳述する。

図１は、本発明の一実施例に係るアキシアルピストンポンプにおいてロータリー部の構造を示す断面斜視図であり、図２は、本発明の一実施例に係るアキシアルピストンポンプの例を概略的に示す縦断面図である。

図１においては、内部構成品の構造を明確に示すため、外部のケーシングやバルブプレート後方のバルブブロック（又は、カバー）などの構成については、図示を省略する。

図１及び図２を参照してアキシアルピストンポンプ１の構造について説明すると、ケーシング１０の内部中央に、ベアリング１１などで支持されて設けられる駆動軸２０を備え、この駆動軸２０に傾斜するように斜板３０が設けられている。

また、ケーシング１０の内部には、駆動軸２０にスプライン結合されたシリンダブロック４０が設けられ、シリンダブロック４０には、多数のピストン室（シリンダ）Ｃが設けられ、各ピストン室Ｃの内には、一端部のボール４２が斜板３０に当接しているシュー３２にジョイントされたピストン４１が挿入される。

前記シリンダブロック４０が回転する間、各ピストン室Ｃの内部空間は、シリンダブロック４０の後面に形成された開口部Ｂを介して、バルブプレート５０の吸入ポートＳ及び吐出ポートＴと連通されるようになっている。

また、前記ケーシング１０の後端部において、バルブブロック１２の内側（前方）には、吸入ポートＳと吐出ポートＴとが設けられたバルブプレート５０が固定して設けられている。

前記バルブプレート５０は、ケーシング１０内に設けられた状態で、その後面が後方のバルブブロック１２の対応面（内側面）に密着状態で向かい合って当接しており、前面は、駆動軸２０と一体に回転されるシリンダブロック４０の後面が密着状態で当接してスライドされるスライディング面５１となっている。

上述のように構成されるアキシアルピストンポンプ１においては、駆動軸２０が、中心軸Ｏを中心に回転する時、ケーシング１０に内蔵されたシリンダブロック４０が一体に回転され、これと同時に、ピストン４１は、当該ピストン室Ｃの内で上死点と下死点との間を往復運動しながら、バルブプレート５０の吸入ポートＳを介してピストン室Ｃ内に流体を吸入し（ピストンが上死点から下死点に移動する場合）、又は、ピストン室Ｃ内の流体を押し出してバルブプレート５０の吐出ポートＴを介して吐出させるようになる（ピストンが下死点から上死点に移動する場合）。

即ち、前記駆動軸２０とシリンダブロック４０とが一体に回転される時、ピストン４１の一端部を支持するシュー３２及びシュープレート３１（図２には図示省略）が、斜板３０の上をスライドしながら回転し、これにより、ピストン４１が斜板３０の傾斜によって、前後に往復運動するようになる。

また、前記駆動軸２０とシリンダブロック４０とが一体に回転される時、シリンダブロック４０は、バルブプレート５０に対して相対的に回転するところ、シリンダブロック４０は、バルブプレート５０のスライディング面５１に密着状態で当接してスライドし、流体は、シリンダブロック５０の後面に形成されたピストン室Ｃの開口部Ｂがバルブプレート５０の吸入ポートＳと連結される時にピストン室Ｃの内部に吸入され、ピストン室Ｃの開口部Ｂがバルブプレート５０の吐出ポートＴと連結される時にピストン室Ｃの外部に吐出される。

勿論、この時の流体の吸入と吐出は、ピストン室Ｃが当該ポートＴ、Ｓに連結された状態で、各ピストン室Ｃ内のピストン４１が斜板３０によって往復運動することで行われる。

なお、上述のようにポンプ作用を遂行する間、シリンダブロック４０に形成されたそれぞれのピストン室Ｃ内には圧力の変動が発生し、１つのピストン室Ｃにおいて圧力が変動する過程は、圧力上昇過程と圧力下降過程とを含む。

このような圧力の変動は、起振力として作用することで装置全体を振動させ、その結果、騒音が発生されるところ、もし圧力上昇過程と圧力下降過程とで圧力の急激な変動が起こると、騒音の大きさが増大されるだけでなく、騒音の高周波成分が大きくなり、結果として耳障りとなる騒音が発生する。

また、傾斜した斜板３０に対してシリンダブロック４０を回転させることで流体を吸入、吐出する斜板式アキシアルピストンポンプ１では、必然的に、流量脈動による圧力脈動が発生する。

以下、図３〜図６を参照して、図１及び図２のような油圧装置の回転速度を測定する方法を具体的に説明する。

図３は、油圧装置から測定された圧力脈動の波形を示す図であり、図４は、図３の圧力脈動波形から特定期間中の圧力脈動を拡大して示す図である。

図３は、例えば、図１及び図２のアキシアルピストンポンプ１の動作時に発生される圧力脈動波形であることができる。

例えば、図３に示されるように、アキシアルピストンポンプ１の圧力は、経時的に変化する。この経時的圧力変化は、圧力脈動として定義され得る。

油圧装置の圧力脈動は、センサによって測定することができる。センサは、例えば、アキシアルピストンポンプ１に配置することができる。なお、前記センサは、例えば、圧力センサ及び振動センサのうちの少なくとも１つを含むことができる。

油圧装置の圧力脈動は、予め設定された時間によって規則的に検出され得る。例えば、圧力脈動は、センサによって、０．１秒の間隔で検出され得る。図３には、一番目の０．１秒の期間（Ｔ１：以下、「第１の期間」）中に検出された圧力脈動の波形を示す拡大図、及び、二番目の０．１秒の期間（Ｔ２：以下、「第２の期間」）中に検出された圧力脈動波形を示す拡大図が示されている。

なお、図４は、０．１秒間、油圧装置から発生した圧力脈動の波形を示す図である。図４は、図３の第１及び第２の期間のうちのいずれか１つの期間に発生した圧力脈動を示す拡大図であることができる。例えば、図４は、図３の第２の期間を示す拡大図であることができる。

図５は、図４の圧力脈動波形が高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）によって処理された時の波形を示す図である。

図４の振幅−時間の関係の圧力脈動波形は、高速フーリエ変換を通じて、図５に示されるように、振幅−周波数の関係の圧力脈動波形に変換され得る。即ち、図５は、振動数に応じて振幅が変化する圧力脈動波形を示す。

図５の圧力脈動波形は、互いに異なる周波数を有する複数の周波数成分を含むことができる。例えば、図５の圧力脈動波形は、第１の周波数成分Ｆ１、第２の周波数成分Ｆ２、及び第３の周波数成分Ｆ３を含むことができる。第１の周波数成分Ｆ１は、基本波に該当することができ、第２の周波数成分Ｆ２及び第３の周波数成分Ｆ３は、それぞれ、一次高調波及び二次高調波に該当することができる。

これらの周波数成分Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、及び油圧装置のピストン４１の数に基づいて、油圧装置の回転速度を検出することができる。

例えば、油圧装置の回転速度ω_ｒｐｍは、下記のような数１に基づいて算出することができる。

前記数１中の、ｆ_ｎは、第ｎ次の周波数成分の周波数（又は、ピーク周波数）を、ｆ_ｎ−１は、第ｎ−１次の周波数成分の周波数（又は、ピーク周波数）を、及び、Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}は、油圧装置に備えられたピストン４１の個数を意味する。ここで、ｎは、１より大きい自然数を意味する。

一例として、図５中の、第１の周波数成分のピーク周波数ｆ_ｎ−１が２７０［Ｈｚ］であり、第２の周波数成分のピーク周波数ｆ_ｎが５４０［Ｈｚ］であり、図１及び図２に示されたアキシアルピストンポンプ１が９個（Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}）のピストン４１を含む場合、当該アキシアルピストンポンプ１の回転速度ω_ｒｐｍは、前記数１によって、１８００［ｒｐｍ又はｒｅｖ／ｍｉｎ］と算出される。

他の実施例において、油圧装置の回転速度ω_ｒｐｍは、下記のような数２に基づいて算出することができる。

前記数２中の、ｆ_ｍａｘは、最大振幅を有する周波数成分の周波数を意味し、及び、Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}は、油圧装置に備えられたピストン４１の個数を意味する。

一例として、図５中の、第１、第２及び第３の周波数成分Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３のうち、第１の周波数成分Ｆ１が最大振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）を有するところ、このような場合、数２中のｆ_ｍａｘは、第１の周波数成分Ｆ１の周波数（例えば、２７０［Ｈｚ］）であることができる。このとき、図１及び図２に示されたアキシアルピストンポンプ１が９個（Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}）のピストン４１を含む場合、当該アキシアルピストンポンプ１の回転速度ω_ｒｐｍは、前記数２によって、１８００［ｒｐｍ又はｒｅｖ／ｍｉｎ］と算出され得る。

なお、最大振幅の周波数成分は、第１次の周波数成分であることができる。

また他の実施例において、油圧装置の回転速度ω_ｒｐｍは、下記のような数３に基づいて算出することができる。

前記数３中の、ｆ_ｃは、隣接周波数成分間の差の周波数に対する、平均周波数に最も近接した周波数成分の周波数を意味し、及び、Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}は、油圧装置に備えられたピストン４１の個数を意味する。

一例として、図５中の第１の周波数成分Ｆ１のピーク周波数ｆ_ｎ−１が２７０［Ｈｚ］であり、第２の周波数成分Ｆ２のピーク周波数ｆ_ｎが５４０［Ｈｚ］であり、第３の周波数成分Ｆ３のピーク周波数が８１０［Ｈｚ］である場合、第１の周波数成分Ｆ１のピーク周波数と、これに隣接した第２の周波数成分Ｆ２のピーク周波数との間の差の周波数は、２７０［Ｈｚ］であり、また、第２の周波数成分Ｆ２のピーク周波数と、これに隣接した第３の周波数成分Ｆ３のピーク周波数との間の差の周波数は、２７０［Ｈｚ］である。従って、全ての差の周波数の平均は、２７０［Ｈｚ］である。この平均周波数（即ち、２７０［Ｈｚ］）に最も近接した周波数成分は、第１の周波数成分Ｆ１であって、この第１の周波数成分の周波数は、２７０［Ｈｚ］である。このような場合、数３中のｆ_ｃは、２７０［Ｈｚ］である。従って、図１及び図２に示されたアキシアルピストンポンプ１が９個（Ｚ_{ｐｉｓｔｏｎ}）のピストン４１を含む場合、当該アキシアルピストンポンプ１の回転速度ω_ｒｐｍは、前記数３によって、１８００［ｒｐｍ又はｒｅｖ／ｍｉｎ］と算出される。なお、他の要因によって、平均周波数と、この平均周波数に最も近接した周波数成分の周波数とは、異なることがあり得る。

図６は、図５の周波数成分の周波数及び数式に基づいて算出された各期間別の油圧装置の回転速度を示す図である。例えば、図６中の、第１の点Ｐ１は、上述の第１の期間Ｔ１中に発生した油圧装置の圧力脈動に基づいて算出された当該油圧装置の回転数を表し、及び、第２の点Ｐ２は、上述の第２の期間Ｔ２中に発生した油圧装置の圧力脈動に基づいて算出された当該油圧装置の回転数を表すことができる。

図７は、本発明の油圧装置の回転速度測定方法を示す図である。

先ず、本発明に係る油圧装置の回転速度測定方法の第１のステップＳ１によれば、油圧装置の圧力脈動が検出される。これは、上述のように、油圧装置に取付けられたセンサによって検出することができる。

以後、本発明に係る油圧装置の回転速度測定方法の第２のステップＳ２によれば、検出された圧力脈動は、フーリエ変換される。例えば、振幅−時間の関係の圧力脈動波形は、高速フーリエ変換によって振幅−周波数の関係の圧力脈動波形に変化することができる。

次に、本発明に係る油圧装置の回転速度測定方法の第３のステップＳ３によれば、フーリエ変換された圧力脈動に基づいて油圧装置の回転速度を検出することができる。

本発明の油圧装置の回転速度測定方法によれば、既存の圧力センサを用いて獲得された圧力脈動をフーリエ変換し、このフーリエ変換された圧力脈動に基づいて油圧装置（又は、油圧部品）の回転速度を検出することができる。従って、単純な方法で油圧装置の故障診断を行うことができ、また、油圧装置の寿命を予測することができる。

さらに、本発明の回転速度測定方法は、他の油圧装置、例えば、油圧モータ（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍｏｔｏｒ）、ベーンポンプ（ｖａｍｐ ｐｕｍｐ）及びギヤポンプ（ｇｅａｒ ｐｕｍｐ）にも適用可能である。なお、本発明の回転速度測定方法がギヤポンプに適用される場合、前記数式におけるピストンの数は、ギヤの歯数に代替可能である。

以上のような本発明は、上述の実施例及び添付の図面に限定されるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で種々に置換、変形及び変更が可能であることは、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、容易に理解できるであろう。

Ｓ１：第１のステップ、
Ｓ２：第２のステップ、
Ｓ３：第３のステップ。

Claims (5)

1. 油圧装置の圧力脈動を検出するステップ；
   前記圧力脈動をフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）変換するステップ；及び
   前記フーリエ変換された圧力脈動に基づいて、前記油圧装置の回転速度を検出するステップ；を含み、
   前記油圧装置の回転速度ωｒｐｍは、下記の数１によって算出され、
   数１：ωｒｐｍ＝６０*（ｆｎ−ｆｎ−１）／Ｚｐｉｓｔｏｎ
   前記数１中の、ｆｎは、第ｎの周波数成分の周波数を表し、ｆｎ−１は、第ｎ−１の周波数成分の周波数を表し、及び、Ｚｐｉｓｔｏｎは、油圧装置のピストンの個数又はギヤの歯数を表す、建設機械の油圧装置の回転速度測定方法。
2. 油圧装置の圧力脈動を検出するステップ；
   前記圧力脈動をフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）変換するステップ；及び
   前記フーリエ変換された圧力脈動に基づいて、前記油圧装置の回転速度を検出するステップ；を含み、
   前記油圧装置の回転速度ωｒｐｍは、下記の数２によって算出され、
   数２：ωｒｐｍ＝６０*ｆｍａｘ／Ｚｐｉｓｔｏｎ
   前記数２中の、ｆｍａｘは、最大振幅を有する周波数成分の周波数を表し、及び、Ｚｐｉｓｔｏｎは、油圧装置のピストンの個数又はギヤの歯数を表す、回転速度測定方法。
3. 油圧装置の圧力脈動を検出するステップ；
   前記圧力脈動をフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）変換するステップ；及び
   前記フーリエ変換された圧力脈動に基づいて、前記油圧装置の回転速度を検出するステップ；を含み、
   前記油圧装置の回転速度ωｒｐｍは、下記の数３によって算出され、
   数３：ωｒｐｍ＝６０*ｆｃ／Ｚｐｉｓｔｏｎ
   前記数３中の、ｆｃは、隣接周波数成分間の差の周波数に対する、平均周波数に最も近接した周波数成分の周波数を表し、及び、Ｚｐｉｓｔｏｎは、油圧装置のピストンの個数又はギヤの歯数を表す、回転速度測定方法。
4. 前記圧力脈動は、前記油圧装置のセンサによって検出される、請求項１に記載の建設機械の油圧装置の回転速度測定方法。
5. 前記センサは、圧力センサ及び振動センサのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の建設機械の油圧装置の回転速度測定方法。

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