JP7389577B2 - 作業機械の評価システムおよび作業機械の評価方法 - Google Patents

Description

本開示は、作業機械の疲労度の評価に関する。

従来、油圧ショベル等の建設機械は、高負荷な作業を繰り返し行い、また作業現場も整地されていない凸凹の多い場所であることから、作業時、走行時共に大きな振動を受けることが知られている。特に、旋回フレーム等の主要構造物は、旋回フレーム上に搭載されるエンジン等の機器やカウンタウエイトやタンク等の構造体（重量搭載物）が振動することで、高負荷の繰り返し荷重を受け、疲労寿命が短くなるケースがある。

そのため建設機械の主要構造物に対しては、疲労寿命を適切に把握・評価し、事前補修等の維持管理を行っていく必要がある。構造物の疲労寿命を推定する方法として、特許文献１には、車体の構成要素となる重量搭載物に加速度センサを設け、加速度データに基づいて卓越振動数および日最大加速度範囲を検出し、卓越振動数および日最大加速度範囲に基づいて、応力範囲の頻度分布を推定し、推定された応力範囲の頻度分布に基づいて車体フレームにおける重量搭載物が搭載された部位の疲労損傷を評価する方式が提案されている。

特開２００７－１６３３８４号公報

一方で、油圧ショベルのフレームは、高剛性であるため振動による変形そのものは小さく、高精度に加速度を計測するのは難しい。

本開示の目的は、簡易な方式で精度の高い疲労度の評価が可能な作業機械の評価システムおよび作業機械の評価方法を提供することである。

本開示の作業機械の評価システムは、作業機と、作業機の支持部と、作業機を支持部に対して動作させるシリンダと、シリンダの軸力に基づいて支持部の疲労度を評価する評価部とを備える。

好ましくは、作業機械の評価システムは、支持部に動作可能に支持された作業機の動作部をさらに備える。支持部は、動作部を挟み込んで支持する一対の縦板と、縦板間に設けられた掛け渡し板とを含む。縦板と掛け渡し板とは溶接されている。

好ましくは、動作部は、ブームである。
好ましくは、シリンダは、油圧シリンダである。

好ましくは、評価部の評価結果に基づいて寿命を予測する予測部をさらに備える。
本開示の作業機械の評価方法は、作業機の支持部と、支持部に動作可能に支持された作業機の動作部と、動作部を支持部に対して動作させるシリンダとを備える作業機械の評価方法であって、シリンダの軸力を算出するステップと、算出されたシリンダの軸力に基づいて支持部の疲労度を評価するステップとを備える。

本開示の作業機械の評価システムおよび作業機械の評価方法は、簡易な方式で精度の高い疲労度の評価が可能である。

実施形態に基づく作業機械の外観図である。 実施形態に従う旋回体３の旋回フレーム３０の構造を説明する図である。 実施形態に基づく作業機械１００の制御系の構成について説明する図である。 実施形態に基づくコントローラ２６の構成を示すブロック図である。 実施形態に従う作業機械１００のブームシリンダ１０を支持する旋回フレーム３０における応力および軸力を説明する図である。 実施形態に従う応力と軸力との関係を説明する図である。 実施形態に基づく評価部１０６における処理を説明する図である。 実施形態に基づく予測部１０８の予測結果を説明する図である。

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明では、同一部品には、同一の符号を付している。それらの名称および機能の同じである。したがって、それらについての詳細な説明については繰り返さない。

＜作業機械の全体構成＞
図１は、実施形態に基づく作業機械の外観図である。

図１に示されるように、本開示の思想を適用可能な作業機械として油圧により作動する作業機２を備える油圧ショベルを例に挙げて説明する。

作業機械１００は、車両本体１と、作業機２とを備える。
車両本体１は、旋回体３と、運転室４と、走行装置５とを有する。

旋回体３は、走行装置５の上に配置される。走行装置５は、旋回体３を支持する。旋回体３は、旋回軸ＡＸを中心に旋回可能である。運転室４には、オペレータが着座する運転席４Ｓが設けられる。オペレータは、運転室４において作業機械１００を操作する。走行装置５は、一対の履帯５Ｃｒを有する。履帯５Ｃｒの回転により、作業機械１００が走行する。走行装置５は、車輪（タイヤ）で構成されていてもよい。

運転席４Ｓに着座したオペレータを基準として各部の位置関係について説明する。前後方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータの前後方向をいう。左右方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータを基準とした左右方向をいう。左右方向は、車両の幅方向（車幅方向）に一致する。運転席４Ｓに着座したオペレータに正面に正対する方向を前方向とし、前方向とは反対の方向を後方向とする。運転席４Ｓに着座したオペレータが正面に正対したとき右側、左側をそれぞれ右方向、左方向とする。

旋回体３は、エンジンが収容されるエンジンルーム９と、旋回体３の後部に設けられるカウンタウェイトとを有する。旋回体３において、エンジンルーム９の前方に手すり１９が設けられる。エンジンルーム９には、エンジン及び油圧ポンプなどが配置されている。

作業機２は、旋回体３に支持される。作業機２は、ブーム６と、アーム７と、バケット８と、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２とを有する。

ブーム６は、ブームピン１３を介して旋回体３に接続される。アーム７は、アームピン１４を介してブーム６に接続される。バケット８は、バケットピン１５を介してアーム７に接続される。ブームシリンダ１０は、ブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。ブーム６の基端部（ブームフート）と旋回体３とが接続される。ブーム６の先端部（ブームトップ）とアーム７の基端部（アームフート）とが接続される。アーム７の先端部（アームトップ）とバケット８の基端部とが接続される。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２はいずれも、作動油によって駆動される油圧シリンダである。

ブーム６は、回動軸であるブームピン１３を中心に旋回体３に体して回動可能である。アーム７は、ブームピン１３と平行な回動軸であるアームピン１４を中心にブーム６に体して回転可能である。バケット８は、ブームピン１３およびアームピン１４と平行な回動軸であるバケットピン１５を中心にアーム７に対して回動可能である。

なお、ブーム６、作業機２は、本開示の「動作部」、「作業機」の一例である。
図２は、実施形態に従う旋回体３の旋回フレーム３０の構造を説明する図である。

図２に示されるように、ブーム６の基端部（ブームフート）は、旋回体３の旋回フレーム３０と連結される。

旋回フレーム３０は、一対の縦板３２，３４と、縦板３２，３４の間に設けられた掛け渡し板３６とを含む。縦板３２，３４は、ブーム６の基端部（ブームフート）を挟み込んでブーム６を支持する。縦板３２，３４と掛け渡し板３６とは溶接されている。

ブーム６の基端部（ブームフート）と旋回フレーム３０との連結部分に高負荷の繰り返し荷重が掛かる。当該高負荷に起因してブーム６の基端部（ブームフート）と旋回フレーム３０との連結部分の一部である縦板３２，３４と掛け渡し板３６との溶接部分に局部的な疲労破壊が生じる可能性がある。それゆえ、本実施形態は旋回フレーム３０の疲労度を評価する方式について説明する。

旋回フレーム３０は、本開示の「支持部」の一例である。
図３は、実施形態に基づく作業機械１００の制御系の構成について説明する図である。

図３に示されるように、作業機械１００は、コントローラ２６と、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２と、旋回モータ２４と、油圧装置６４とを有する。

油圧装置６４は、図示しない作動油タンク、油圧ポンプ、流量制御弁、電磁比例制御弁を備える。油圧ポンプは、図示しないエンジンの動力で駆動し、流量調整弁を介してブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２に作動油を供給する。油圧ポンプは、旋回体３の旋回動作を実行するために旋回モータ２４に作動油を供給する。

ブームシリンダ１０には、ボトム圧検出センサ４０と、ヘッド圧検出センサ４２とが設けられている。ボトム圧検出センサ４０は、ブームシリンダ１０のボトム圧を検出して、検出結果をコントローラ２６に出力する。ヘッド圧検出センサ４２は、ブームシリンダ１０のヘッド圧を検出して、検出結果をコントローラ２６に出力する。

コントローラ２６は、ボトム圧およびヘッド圧に基づいてブームシリンダ１０の軸力を算出する。

＜コントローラ２６の構成＞
図４は、実施形態に基づくコントローラ２６の構成を示すブロック図である。

図４に示されるように、コントローラ２６は、軸力計測部１０４と、評価部１０６と、予測部１０８とを含む。

軸力計測部１０４は、ブームシリンダ１０の軸力を計測する。
具体的には、ブームシリンダ１０の軸力Ｆは、以下の式に基づいて算出することが可能である。

軸力Ｆ［ｋｎ］＝Ｐｂ［ｍｐａ］×Ｓｂ［ｍｍ²］－Ｐｈ［ｍｐａ］×Ｓｈ［ｍｍ²］
Ｐｂは、ブームシリンダ１０のボトム圧である。Ｐｈは、ブームシリンダ１０のヘッド圧である。Ｓｂは、ブームシリンダ１０のボトム面積である。Ｓｈは、ブームシリンダ１０のヘッド面積である。軸力計測部１０４は、ブームシリンダ１０のボトム面積およびヘッド面積の値を予め取得している。

評価部１０６は、ブームシリンダ１０の軸力に基づいてブームシリンダ１０を支持する旋回フレーム３０の疲労度を評価する。

予測部１０８は、評価部１０６の評価結果に基づいて寿命を予測する。
図５は、実施形態に従う作業機械１００のブームシリンダ１０を支持する旋回フレーム３０における応力および軸力を説明する図である。

図５（Ａ）には、旋回フレーム３０に応力センサを貼り付けて、所定期間の間に旋回フレーム３０に掛かる応力を計測した応力波形が示されている。

図５（Ｂ）には、ボトム圧検出センサ４０およびヘッド圧検出センサ４２を用いて、ブームシリンダ１０の軸力を計測した軸力波形が示されている。

図６は、実施形態に従う応力と軸力との関係を説明する図である。
図６に示されるように、最小二乗法を用いた回帰直線が示されており、応力と軸力との間の相関係数は非常に大きいと判断される。したがって、旋回フレーム３０における応力を直接応力を計測するのではなく、軸力により推定することが可能である。

図７は、実施形態に基づく評価部１０６における処理を説明する図である。
図７に示されるように、評価部１０６は、レインフロー法を用いて軸力頻度を算出し、算出結果に基づいて疲労度を評価する。旋回フレーム３０の疲労度の演算に用いる応力頻度を軸力頻度によって推定するものである。

具体的には、図５に示される軸力波形を用いて既知のレインフロー法を用いて軸力頻度を算出する。

レインフロー法を用いて、軸力範囲Δａ毎の繰り返す数Ｎａを演算して軸力頻度に変換する。

また、評価部１０６は、レインフロー法により得られた軸力頻度に基づいて疲労度を算出する。

具体的には、図７に示すような疲労設計曲線と式（１）を用いて累積疲労度Ｄを算出する。

実施形態に従う方式は、応力センサで計測された応力を用いることなく、ブームシリンダ１０の軸力を用いることにより疲労度を算出する。したがって、簡易な方式で精度の高い疲労度の評価が可能である。

図８は、実施形態に基づく予測部１０８の予測結果を説明する図である。
図８（Ａ）は、現在の累積疲労度と、疲労破壊の基準値となる基準累積疲労度Ｄｒとが示されており、現在の累積疲労度Ｄから基準累積疲労度Ｄｒに至るまでの期間が推定日として示されている。基準累積疲労度Ｄｒは、疲労破壊のシミュレーションあるいは計測により予め算出されたものを用いることが可能である。

例えば、予測部１０８は、現在の累積疲労度Ｄと基準累積疲労度Ｄｒとに基づいて推定日を算出することが可能である。具体的には、現在の累積疲労度から１日当たりの平均累積加算値を算出し、算出した平均累積加算値に基づいて基準累積疲労度Ｄｒに至るまでの日数を算出することが可能である。

推定日を算出することにより旋回フレーム３０の寿命を予測することが可能である。
図８（Ｂ）は、時間当たりの疲労度を示す図である。

図８（Ｂ）に示されるように、基準累積疲労度Ｄｒから時間当たりの基準疲労度ラインＤｒｈを求めて、時間当たりの疲労度を表示してもよい。当該表示を用いてオペレータに作業機械１００の疲労度を低減する運転方式を提案することも可能である。

これにより、基準疲労度ラインＤｒｈを超えた回数等を把握することが可能である。
予測部１０８は、当該回数が多い場合には、寿命が推定日よりも早期になることを予測することが可能である。一方、当該回数が少ない場合には、寿命が推定日よりも長くなることを予測することが可能である。

上記の実施形態では、作業機械１００のコントローラ２６は、軸力計測部１０４と、評価部１０６と、予測部１０８とを含む構成について説明したが、特に当該構成に限られない。例えば、コントローラ２６と通信可能に設けられたサーバと連携した評価システムを構成してもよい。具体的には、サーバにおいて、軸力計測部１０４と、評価部１０６と、予測部１０８とを全て含む構成としても良いし、その一部の機能を含む構成としても良い。

上記の実施形態では、ブームフートと旋回フレーム３０との連結部における疲労度を評価する場合について説明したが、特にこれに限られず他の部位でも同様に評価することが可能である。例えば、アーム７のアームフートとブーム６のブームトップとの連結部における疲労度や、アーム７のアームトップとバケット８の基端部との連結部における疲労度も同様に評価することが可能である。

上記の実施形態では、油圧シリンダであるブームシリンダ１０の軸力について説明したが、油圧シリンダに限られず電気シリンダの軸力を用いることも可能である。電気シリンダの軸力は、モータのトルク等を用いることにより算出することが可能である。

上記の実施形態では、作業機械の一例として油圧ショベルを挙げているが油圧ショベルに限らず、ブルドーザ、ホイールローダ等の他の種類の作業機械にも適用可能である。

以上、本開示の実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は全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。本開示の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 車両本体、２ 作業機、３ 旋回体、４ 運転室、４Ｓ 運転席、５ 走行装置、５Ｃｒ 履帯、６ ブーム、７ アーム、８ バケット、９ エンジンルーム、１０ ブームシリンダ、１１ アームシリンダ、１２ バケットシリンダ、１３ ブームピン、１４ アームピン、１５ バケットピン、１９ 手すり、２４ 旋回モータ、２６ コントローラ、３０ 旋回フレーム。

Claims (5)

1. 作業機と、
   前記作業機の支持部と、
   前記支持部に動作可能に支持された前記作業機の動作部とを備え、
   前記支持部は、
   前記動作部を挟み込んで支持する一対の縦板と、
   前記縦板間に設けられた掛け渡し板とを含み、
   前記縦板と前記掛け渡し板とは溶接されており、
   前記作業機を前記支持部に対して動作させるシリンダと、
   前記シリンダの軸力を算出し、前記シリンダの軸力に基づいて前記支持部の疲労度を評価する評価部とをさらに備える、作業機械の評価システム
2. 前記動作部は、ブームである、請求項１記載の作業機械の評価システム。
3. 前記シリンダは、油圧シリンダである、請求項１記載の作業機械の評価システム。
4. 前記評価部の評価結果に基づいて寿命を予測する予測部をさらに備える、請求項１記載の作業機械の評価システム。
5. 作業機と、前記作業機の支持部と、前記支持部に動作可能に支持された前記作業機の動作部と、前記作業機を前記支持部に対して動作させるシリンダとを備える作業機械の評価方法であって、
   前記支持部は、前記動作部を挟み込んで支持する一対の縦板と、前記縦板間に設けられた掛け渡し板とを含み、前記縦板と前記掛け渡し板とは溶接されており、
   前記シリンダの軸力を算出するステップと、
   算出された前記シリンダの軸力に基づいて前記支持部の疲労度を評価するステップとを備える、作業機械の評価方法。

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