WO2014141855A1 - 動的負荷評価装置及びシステム、並びに建設機械 - Google Patents

動的負荷評価装置及びシステム、並びに建設機械 Download PDF

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WO2014141855A1
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英章 飯嶋
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日立建機株式会社
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
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    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/30—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets with a dipper-arm pivoted on a cantilever beam, i.e. boom
    • E02F3/32—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets with a dipper-arm pivoted on a cantilever beam, i.e. boom working downwardly and towards the machine, e.g. with backhoes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/08—Superstructures; Supports for superstructures
    • E02F9/0808—Improving mounting or assembling, e.g. frame elements, disposition of all the components on the superstructures
    • E02F9/0816—Welded frame structure

Definitions

  • the present invention relates to a dynamic load evaluation apparatus and system for evaluating a load of a construction machine structure such as a hydraulic excavator, and a construction machine.
  • a system that detects engine speed, hydraulic pump pressure, pilot operating pressure using an operating lever, load pressure of an actuator such as a hydraulic cylinder, and the like, and performs a fault diagnosis of a construction machine such as a hydraulic excavator based on the detected information. (See Patent Document 1, etc.).
  • various information used in the conventional failure diagnosis system is a quantity related to a static load, and it is impossible to know the dynamic load of the structure due to vibration during traveling or excavation work. If the fatigue state of the structure due to vibration load is not known, the structure can be damaged unexpectedly.
  • An object of the present invention is to provide a dynamic load evaluation apparatus and system capable of evaluating a dynamic load of a construction machine structure, and a construction machine.
  • the first invention provides an input unit for inputting an accelerometer signal provided in a construction machine structure, a signal processing unit for arithmetically processing the accelerometer signal, and the signal processing unit.
  • a load calculation unit that calculates a load equivalent amount that is equivalent to a load applied to the structure due to vibration based on the output of the accelerometer.
  • a fatigue level calculation unit that calculates the ratio of the cumulative value of the load equivalent amount to the preset allowable cumulative load for the structure as the fatigue level of the structure.
  • the signal processing unit includes a remaining life calculating unit that calculates the remaining life of the structure based on a ratio of the accumulated value of the load equivalent amount to the allowable accumulated load. It is characterized by having.
  • the signal processing unit has a fixed period of time based on a calculation value storage unit that stores a calculation result of the load calculation unit and a calculation result read from the calculation value storage unit. And a time distribution calculation unit that calculates the time distribution of the load.
  • a fourth invention is characterized in that, in any one of the first to third inventions, a load information providing device for outputting a calculation result of the signal processing device based on an output signal of the output unit is provided.
  • a fifth invention is based on a dynamic load evaluation device according to any one of the first to third inventions mounted on a plurality of construction machines deployed in a specific area, and an output signal of the dynamic load evaluation device. And a management device that calculates and outputs a distribution of the loads of the plurality of construction machine structures in the specific area.
  • 6th invention is the construction machine, the accelerometer provided in the structure, the input unit for inputting the signal of the accelerometer, the signal processing unit for calculating the signal of the accelerometer, and the calculation result of the signal processing unit
  • a load calculating unit that calculates a load equivalent amount that is an amount corresponding to a load applied to the structure due to vibration based on the output of the accelerometer,
  • a fatigue degree calculating section that calculates a ratio of the accumulated value of the load equivalent amount to a preset allowable cumulative load for the structure as a fatigue degree of the structure.
  • a seventh invention is the sixth invention, comprising: a traveling body; a swiveling body provided on an upper portion of the traveling body; and a working device provided on the swiveling body, wherein the accelerometer includes the turning body. It is provided in the outer peripheral part of the body frame.
  • the dynamic load of the construction machine structure can be evaluated.
  • the dynamic load evaluation device evaluates the load of the part of the construction machine on which the dynamic load is to be evaluated based on the acceleration during the work in the vicinity thereof.
  • dynamic load refers to a dynamic stress generated in the evaluation target part due to vibration applied to the airframe during operations such as traveling and excavation.
  • FIG. 1 is a side view of a hydraulic excavator that is an example of a construction machine to which a dynamic load evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention is applied.
  • a hydraulic excavator 1 shown in FIG. 1 includes a traveling body 4 for traveling and traveling, a revolving body 2 that is pivotably mounted on an upper portion of the traveling body 4, and a working device 6 that is provided on the front portion of the revolving body 2 so as to be able to be raised and lowered. It has.
  • the work device 6 is an articulated excavator, and is attached to the front side of a ladder-like frame (base frame) 5 that forms a support structure of the revolving structure 2.
  • the frame 5 is provided with a counterweight 3 at a position (rear part) opposite to the work device 6 with the turning center C (see FIG. 4) of the turning body 2 interposed therebetween.
  • the counterweight 3 is a weight that balances the load in order to prevent the machine body from falling when a load is applied to the work device 6.
  • FIG. 2 and 3 are perspective views showing the external configuration of the revolving structure 2 and the frame 5, respectively, and FIG. 4 is a plan view schematically showing the frame 5. As shown in FIG.
  • the frame 5 is equipped with equipment necessary for the operation of the construction machine, such as the fuel tank 7, the hydraulic oil tank 8, the cab 9, the radiator unit 10, and the like.
  • the frame 5 vibrates using the counterweight 3 as a weight, and a load (stress) is generated in the device mounted on the frame 5.
  • the frame 5 vibrates like a cantilever beam having a fixed end at the turning center of the revolving structure 2, that is, the turning center C of the frame 5 (see FIG. 4).
  • the antinodes of this vibration mode are mainly located at the outer periphery of the frame 5, and acceleration having a large amplitude is generated at the outer periphery of the frame 5.
  • an accelerometer 11-13 is installed on the outer periphery of the frame 5 as shown in FIG.
  • the driver's cab 9, the fuel tank 7, the hydraulic oil tank 8, the radiator unit 10 and the structures in the vicinity thereof are the load evaluation targets. That is, the acceleration synchronized with the stress near the cab 9 is the accelerometer 11, the acceleration synchronized with the stress near the radiator unit 10 is the accelerometer 12, and the acceleration synchronized with the stress near the fuel tank 7 and the hydraulic oil tank 8. Are detected by the accelerometer 13, respectively.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of the dynamic load evaluation device according to the present embodiment.
  • the dynamic load evaluation apparatus 100 shown in FIG. 1 includes an input unit 20 that inputs a signal from the accelerometer 11-13, and a signal processing unit that performs arithmetic processing on the signal from the accelerometer 11-13 input via the input unit 20. 30 and an output unit 40 that outputs the calculation result of the signal processing unit 30 to the load information providing device 50.
  • the dynamic load evaluation apparatus 100 is operated by a vehicle body power supply 101.
  • the accelerometer 11-13 and / or the load information providing apparatus 50 may be handled as the dynamic load evaluation apparatus 100 including either one of them.
  • the load information providing device 50 is a device that provides an operator, a serviceman, a machine administrator, etc. with the calculation result of the signal processing unit 30.
  • the load information providing device 50 is not limited to such a visual output device, but may be an audio output device such as a speaker, or a recording device that records information on a recording medium or a storage device. Further, the load information providing device 50 can be installed in a management center or the like placed at a manufacturer, a distributor, a service provider, a user, or the like, in addition to the cab 9.
  • the input unit 20 performs A / D conversion and amplification on the signal from the accelerometer 11-13 and outputs the signal to the signal processing unit 30.
  • the output device 40 may be connected to the load information providing device 50 by wire, or may be wirelessly connected depending on the mode of the load information providing device 50.
  • the signal processing unit 30 stores a load calculation unit 31 that calculates the load of the structure near the accelerometer 11-13, an output calculation unit 32 that calculates various output contents from the calculation results of the load calculation unit 31, and stores various types of information.
  • a storage unit 33 is provided.
  • the load calculation unit 31 includes a frequency processing unit 31a and a load conversion unit 31b.
  • the frequency processing unit 31a processes the signal of the accelerometer 11-13 (described later).
  • the load conversion unit 31b calculates a load equivalent amount (described later) that is an amount corresponding to the load applied to the structure near the accelerometer 11-13 due to vibration based on the result of the frequency processing (described later).
  • the storage unit 33 has storage areas such as a reference value storage unit 33a, an allowable value storage unit 33b, and a calculation value storage unit 33c.
  • the reference value storage unit 33a stores each reference value (may be a common value) of the load applied to the structure near the accelerometer 11-13 while the excavator 1 is working (during traveling or excavation). ing.
  • the reference value is a value that is input and set in advance in consideration of the material, structure, position, etc. of the structure of the target part, and is set from the standard work of the excavator 1 (assuming when designing). Value.
  • the permissible value storage unit 33b stores a permissible cumulative load set in advance for the structure to be evaluated.
  • the allowable cumulative load is a value that can be damaged when the accumulated load (load equivalent amount described later) reaches this value, or a value that is set in consideration of a margin with respect to the value that can be damaged, and is set in advance. Value.
  • the cumulative value of the load equivalent amount (described later) of the structure of each part when the hydraulic excavator 1 is operated under standard usage conditions (settings) for the usage time assumed at the time of design is obtained, and this is allowed. Can be set as a load.
  • Various calculation results of the load calculation unit 31 and the output calculation unit 32 are stored in the calculation value storage unit 33c.
  • the output calculation unit 32 includes calculation areas such as a fatigue level calculation unit 32a, a remaining life calculation unit 32b, and a time distribution calculation unit 32c.
  • the fatigue level calculation unit 32a uses the ratio of the accumulated value of the load equivalent amount (described later) to the allowable cumulative load as the fatigue level of the structure near the accelerometer 11-13, in other words, the allowable cumulative load as an upper limit. It is calculated as an index of how much the amount has been accumulated (described later).
  • the remaining life calculating unit 32b calculates the remaining life of each structure in the vicinity of the accelerometer 11-13 based on the above-described ratio of the accumulated value of the load equivalent amount to the allowable accumulated load (described later).
  • the time distribution calculation unit 32c reads out the calculation result of the predetermined period (which may be a fixed period or a specified period) of the load calculation unit 31 from the calculation value storage unit 33c, and based on the read calculation result, the time distribution of the load in the predetermined period ( (Time-series load change) is calculated (described later).
  • Cumulative damage ⁇ (K ⁇ ⁇ i ⁇ ⁇ N i ) (2) K: constant, ⁇ i : stress amplitude, N i : number of repetitions of stress amplitude ⁇ i , ⁇ : exponent.
  • ⁇ The damage is divided by the number of repetitions until breakage, and the sum of all the amplitudes is called cumulative damage. Since stress and acceleration can be replaced in a linear system, in this example, an amount obtained by the following equation (3) is used as an amount corresponding to a load (stress) applied to the structure (hereinafter referred to as a load equivalent amount).
  • Load equivalent amount D ⁇ (K2 ⁇ a i ⁇ ⁇ N i ) (3)
  • K2 is a constant
  • a i is the acceleration amplitude
  • N i is the number of repetitions
  • ⁇ is an exponent.
  • Stress and acceleration have different frequency characteristics, but if acceleration representing the deformation mode that is the cause of stress is used (at the position where the antinode of vibration mode is located (such as the outer periphery of the frame 5)), the cumulative damage degree of stress and load
  • the considerable amount D has a proportional relationship as shown in FIG.
  • the load calculation unit 31 calculates the load equivalent amount D.
  • the frequency processing unit 31 a frequency-processes the signal of the accelerometer 11-13 input via the input unit 20 by a rainflow method, for example, at regular intervals.
  • the load equivalent amount D is calculated from the above equation based on the frequency data calculated by the frequency processing unit 31a.
  • the load calculation device 31 sequentially calculates the load equivalent amount D, and the calculation result by the load calculation device 31 is stored and accumulated in the calculated value storage unit 33c together with the time data.
  • the load equivalent amount D is a value that changes momentarily according to the operation of the excavator 1.
  • the fatigue degree calculation unit 32a reads the data of the load equivalent amount D from the calculation value storage unit 33c at predetermined time intervals, calculates the cumulative value D TOT of the load equivalent amount D up to the present time, and the cumulative value of the operation time, These calculation results are recorded in the calculation value storage unit 33c.
  • the fatigue level of the structure is calculated as in the following equation (4).
  • Fatigue degree D TOT / D ST (4)
  • D ST The cumulative load equivalent amount of the target material when used for the time assumed at the time of design under standard use conditions, that is, the allowable cumulative load described above, and is a value read from the allowable value storage unit 33b. Standard usage conditions are also assumed at the time of design.
  • the fatigue level is the ratio of the cumulative load to the allowable cumulative load.
  • the fatigue level calculation unit 32a sequentially calculates the fatigue level, records the calculated fatigue level in the calculated value storage unit 33c, and outputs it to the load information providing apparatus 50 via the output unit 40.
  • the output timing to the load information providing apparatus 50 may be sequential or may be requested by an operator or the like on the operation unit of the load information providing apparatus 50. Thereby, a driver
  • FIG. 8 is a diagram showing an output example of the fatigue level of the load information providing device 50.
  • the figure shows an example in which the degree of fatigue is displayed on a monitor installed inside the cab 9 as the load information providing device 50, for example.
  • This example is an example of displaying the evaluation results of the fatigue level of the structure nearby for each accelerometer position in bar graph format. To what extent is the accumulated load of each part accumulated against the allowable accumulated load? Can be grasped visually.
  • positions AC in the figure indicate the positions of the accelerometers 11, 13, and 12 shown in FIG. 4, for example.
  • the position D is, for example, a symmetrical portion of the accelerometer 12 in the left-right direction of the vehicle body. That is, this is an example in which the fatigue level of the structure near the radiator unit 10 on the right side of the vehicle body is added to the evaluation target, and an accelerometer is added to the position D.
  • the position and number of accelerometers are not limited to those shown in FIG. 4, and it is preferable that at least one accelerometer is provided on the outer periphery of the frame 5.
  • the names of the evaluation target parts may be specifically described as “near the driver's seat”, “near the oil tank”, “near the radiator unit (left)”, and the like.
  • the output mode is not limited to this example and can be variously changed. In the display illustrated in the figure, it can be determined that the load is accumulated most in the vicinity of the position A, and the inspection and maintenance of the devices arranged around the position A are given priority.
  • the remaining life calculation unit 32b calculates the remaining life of the structure of each part based on the accumulated load, records the calculation result in the calculation value storage unit 33c, and loads the output via the output unit 40 sequentially or as required.
  • the calculation result is output to the information providing apparatus 50.
  • the cumulative load may be calculated by reading the load equivalent value calculated by the load calculation unit 31 from the calculation value storage unit 33c in the same manner as the fatigue level calculation unit 32a. In this example, for example, the fatigue level calculation unit 32a The calculated accumulated load value is read from the calculated value storage unit 33c.
  • the remaining life calculating unit 32b converts the read accumulated load into the remaining life T pre by the following equation (5).
  • the remaining life T pre calculated here is an estimated time until breakage or a predetermined degree of damage is reached.
  • T pre T life ⁇ ⁇ (D TOT ⁇ T life ) / (D st ⁇ T) ⁇ 1 / ⁇ (5)
  • Tlife is the usage time of the structure assumed at the time of designing the target structure
  • T is the cumulative operation time (measurement time) of the target structure.
  • the accumulated operation time of the structure is not the accumulated time after the structure is incorporated into the hydraulic excavator 1 but the operation time of the hydraulic excavator 1 among them.
  • Equation (5) is an example of an arithmetic expression for evaluating the remaining life.
  • the average accumulated pace of the load equivalent amount so far (or in advance) It may be an equation for calculating the time required to reach the allowable accumulated load when the load equivalent amount is accumulated at the set standard pace).
  • the output mode of the remaining life is not particularly shown, but any mode that can be known by an operator or the like may be used.
  • the remaining life may be notified by text (display / printing), voice, or the like, and a chart or the like that can be easily grasped visually may be output (display / printing).
  • Time distribution calculation unit 32c In response to a request from the load information providing device 50, the time distribution calculation unit 32c reads the load equivalent amount for a certain period (for example, one day) from the calculation value storage unit 33c, and uses the time series data as load equivalent amount time distribution data. The information is output to the load information providing device 50 via the output unit 40. Further, the reference value is read from the reference value storage unit 33a, and the magnitude relationship with respect to the reference value of the load equivalent amount at each time is obtained.
  • FIG. 9 is a diagram showing an output example of the time distribution of the load equivalent amount of the load information providing apparatus 50.
  • the load equivalent amount is calculated based on the signal from the accelerometer 11-13, so that vibration caused by traveling of the excavator 1 or excavation work can be obtained.
  • the degree of fatigue of the structure at the target site based on the dynamic load of the structure can be evaluated. Since the fatigue state of the structure due to the vibration load can be properly evaluated, it is useful for, for example, predicting when repairs are required, suggesting repairs to customers, and managing inventory of replacement parts. Since maintenance can be performed efficiently in this way, damage to the structure can be prevented in advance, and unexpected failures of the hydraulic excavator 1 can be suppressed.
  • the estimated value of remaining life can be calculated in addition to the evaluation of fatigue level.
  • the degree of fatigue required for grasping the current situation by estimating the specific time remaining until the allowable cumulative load is reached, service personnel can easily estimate the repair time, efficient preparation of replacement parts, etc. Is possible.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration example of the dynamic load evaluation system configured by the dynamic load evaluation apparatus 100 described above.
  • the system shown in the figure includes a management device 200 and a plurality of hydraulic excavators 1.
  • Each hydraulic excavator 1 is equipped with the dynamic load evaluation device 100 as described above.
  • the management device 200 acquires the output signal of the dynamic load evaluation device 100 for each hydraulic excavator 1 including the display as shown in FIG. 8 or FIG. Information can be provided to the administrator or the like through the output device.
  • a wired or wireless network, satellite communication, or a path through a recording medium may be considered.
  • large-scale information regarding the plurality of hydraulic excavators 1 is collectively handled by the management device 200 in this manner.
  • each hydraulic excavator 1 operating in a specific region (including a specific site in a narrow sense) based on this information.
  • the load distribution of the structure of the target part can be calculated and output, for example, as shown in FIG. In the example of the figure, it can be seen that the load level of the hydraulic excavator 1 operating in the region B and further the hydraulic excavator 1 operating in the region C is higher than the load level of the hydraulic excavator 1 operating in the region A.
  • the hydraulic excavator 1 operating in the region C has a larger load level difference depending on the airframe than the hydraulic excavator 1 operating in the regions A and B.
  • Such information can be downloaded by a service person or the like by accessing the management server 200.
  • the distribution by customer and business type can be known.
  • a profound service can be provided to a heavily loaded region, customer, or industry, which can contribute to the optimization of the service.
  • the load information acquired by the management apparatus 200 can be downloaded from a terminal carried by a service person via a wired or wireless network, the load status of the excavator 1 can be immediately grasped on site. And can contribute to the flexibility of service provision.
  • the dynamic load evaluation device 100 is provided with the remaining life calculation unit 32b and the time distribution calculation unit 32c so as to acquire information such as the remaining life of the structure and the time distribution of the load.
  • the essence of the present invention is to evaluate the degree of fatigue caused by a dynamic load. Therefore, the circuits for acquiring further information such as the remaining life calculation unit 32b and the time distribution calculation unit 32c can be omitted as appropriate.
  • an accelerometer can be installed on the outer periphery of the portion of the frame 5 on which the load evaluation target device is mounted, but if there is another portion that becomes an antinode of vibration mode even if it is not the outer periphery, An accelerometer can be installed.
  • an accelerometer can be installed even at a location away from the vibration mode belly. In such a case, the relationship between the degree of stress damage and the load equivalent amount is not linear, and a conversion equation may be established assuming a curve as shown in FIG.
  • the installation position of the accelerometer is not limited to the frame 5, and an appropriate position of the excavator 1, for example, a support structure such as a track frame constituting the traveling body 4, or the work device 6 is configured depending on the evaluation target. It can be installed on a structure such as a boom 6 or an arm.
  • the present invention is also applicable to other types of work machines including a wheel loader, for example.
  • the effect of can be produced.

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Abstract

　油圧ショベル１のフレーム５に設けた加速度計１１－１３の信号を入力する入力部２０、加速度計１１－１３の信号を演算処理する信号処理部３０、及び信号処理部３０の演算結果を出力する出力部４０を備え、信号処理部３０が、振動に起因してフレーム５にかかる負荷に相当する量である負荷相当量Ｄを加速度計１１－１３の出力を基に演算する負荷演算部３１と、フレーム５について予め設定した許容累積負荷に負荷相当量Ｄの累積値が占める割合をフレーム５の疲労度として演算する疲労度演算部３２ａとを備えている。これにより、建設機械の構造物の動的負荷を評価することができる。

Description

動的負荷評価装置及びシステム、並びに建設機械
　本発明は、油圧ショベル等の建設機械の構造物の負荷を評価する動的負荷評価装置及びシステム、並びに建設機械に関する。
　例えば、エンジン回転数、油圧ポンプの圧力、操作レバーによるパイロット操作圧、油圧シリンダ等のアクチュエータの負荷圧を検出し、これら検出情報に基づいて油圧ショベル等の建設機械の故障診断を行うシステムが知られている（特許文献１等参照）。
特開２００２－３３２６６４号公報
　しかしながら、従来の故障診断システムに用いられる各種情報は静的な負荷に関する量であり、これら情報から走行や掘削作業時の振動による構造物の動的な負荷を知ることはできない。振動負荷による構造物の疲労状態が分からなければ不測に構造物を損傷し得る。
　本発明の目的は、建設機械の構造物の動的負荷を評価することができる動的負荷評価装置及びシステム、並びに建設機械を提供することにある。
　上記目的を達成するために、第１の発明は、建設機械の構造物に設けた加速度計の信号を入力する入力部、前記加速度計の信号を演算処理する信号処理部、及び前記信号処理部の演算結果を出力する出力部を備え、前記信号処理部が、振動に起因して前記構造物にかかる負荷に相当する量である負荷相当量を前記加速度計の出力を基に演算する負荷演算部と、前記構造物について予め設定した許容累積負荷に前記負荷相当量の累積値が占める割合を前記構造物の疲労度として演算する疲労度演算部とを備えていることを特徴とする。
　第２の発明は、第１の発明において、前記信号処理部が、前記許容累積負荷に前記負荷相当量の累積値が占める割合を基に前記構造物の残寿命を演算する残寿命演算部を備えていることを特徴とする。
　第３の発明は、第１の発明において、前記信号処理部が、前記負荷演算部の演算結果を記憶する演算値記憶部と、前記演算値記憶部から読み出した演算結果を基に一定期間の負荷の時間分布を演算する時間分布演算部とを備えていることを特徴とする。
　第４の発明は、第１－第３のいずれかの発明において、前記出力部の出力信号を基に前記信号処理装置の演算結果を出力する負荷情報提供装置を備えたことを特徴とする。
　第５の発明は、特定地域に配備された複数の建設機械にそれぞれ搭載した第１－３のいずれかの発明に係る動的負荷評価装置と、前記動的負荷評価装置の出力信号を基に前記複数の建設機械の構造物の負荷の前記特定地域における分布を演算し出力する管理装置とを備えていることを特徴とする。
　第６の発明は、建設機械において、構造物に設けた加速度計、前記加速度計の信号を入力する入力部、前記加速度計の信号を演算処理する信号処理部、及び前記信号処理部の演算結果を出力する出力部を備え、前記信号処理部が、振動に起因して前記構造物にかかる負荷に相当する量である負荷相当量を前記加速度計の出力を基に演算する負荷演算部と、前記構造物について予め設定した許容累積負荷に前記負荷相当量の累積値が占める割合を前記構造物の疲労度として演算する疲労度演算部とを備えていることを特徴とする。
　第７の発明は、第６の発明において、走行体と、前記走行体の上部に旋回可能に設けた旋回体と、前記旋回体に設けた作業装置とを備え、前記加速度計が、前記旋回体のフレームの外周部に備えられていることを特徴とする。
　本発明によれば、建設機械の構造物の動的負荷を評価することができる。
本発明の一実施の形態に係る動的負荷評価装置を適用する建設機械の一例である油圧ショベルの側面図である。 図１の油圧ショベルに備えられた旋回体の外観構成をそれぞれ表す斜視図である。 図１の油圧ショベルに備えられたフレームの外観構成をそれぞれ表す斜視図である。 図１の油圧ショベルに備えられたフレームを模式的に表した平面図である。 本発明の一実施の形態に係る動的負荷評価装置の概略構成を表すブロック図である。 応力の累積損傷度と負荷相当量の相関を表す図である。 頻度処理の概念図である。 本発明の一実施の形態に係る動的負荷評価装置で演算された疲労度の出力例を表した図である。 本発明の一実施の形態に係る動的負荷評価装置で演算された負荷相当量の時間分布の出力例を表した図である。 本発明の一実施の形態に係る動的負荷評価装置で構成した動的負荷評価システムの一構成例を表した模式図である。
　本実施の形態に係る動的負荷評価装置は、建設機械における動的な負荷の評価対象部位につき、その付近の作業中の加速度を基に当該部位の負荷を評価するものである。ここで言う動的負荷とは、走行や掘削等の作業中に機体に加わる振動に起因して評価対象部位に発生する動的な応力をいう。
　以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
　１．建設機械
　図１は本発明の一実施の形態に係る動的負荷評価装置を適用する建設機械の一例である油圧ショベルの側面図である。
　同図に示した油圧ショベル１は、走行移動するための走行体４、走行体４の上部に旋回可能に搭載した旋回体２、旋回体２の前部に俯仰動可能に設けた作業装置６を備えている。作業装置６は多関節型の掘削装置であり、旋回体２の支持構造体を形成する梯子状のフレーム（ベースフレーム）５の前部側に取付けられている。フレーム５には、旋回体２の旋回中心Ｃ（図４参照）を挟んで作業装置６の反対となる位置（後部）にカウンタウェイト３が設けてある。カウンタウェイト３は、作業装置６に荷重が加わった場合等に機体の転倒を防ぐために荷重とのバランスをとる錘である。
　図２及び図３は旋回体２及びフレーム５の外観構成をそれぞれ表す斜視図、図４はフレーム５を模式的に表した平面図である。
　これらの図から分かる通り、フレーム５には、カウンタウェイト３の他、燃料タンク７、作動油タンク８、運転室９、ラジエータユニット１０等、建設機械の動作に必要な機器が搭載されている。
　ここで、油圧ショベル１は、走行や掘削の動作により衝撃が入力されると、カウンタウェイト３が錘となってフレーム５が振動し、フレーム５に搭載した機器に負荷（応力）が発生する。その際、フレーム５は旋回体２の旋回中心、すなわちフレーム５の旋回中心Ｃ（図４参照）を固定端とする片持ち梁のように振動する。この振動のモードの腹は主にフレーム５の外周部に位置し、フレーム５の外周部で振幅が大きな加速度が発生する。
　そこで、本実施の形態では、図４のようにフレーム５の外周部に加速度計１１－１３が設置してある。この例では、運転室９、燃料タンク７、作動油タンク８、ラジエータユニット１０及びその付近の構造物を負荷評価対象としている。すなわち、運転室９付近の応力に同期した加速度が加速度計１１で、ラジエータユニット１０付近の応力に同期した加速度が加速度計１２で、燃料タンク７や作動油タンク８の付近の応力に同期した加速度が加速度計１３で、それぞれ検出される。
　２．動的負荷評価装置
　図５は本実施の形態に係る動的負荷評価装置の概略構成を表すブロック図である。
　同図に示した動的負荷評価装置１００は、加速度計１１－１３の信号を入力する入力部２０、入力部２０を介して入力された加速度計１１－１３の信号を演算処理する信号処理部３０、及び信号処理部３０の演算結果を負荷情報提供装置５０に出力する出力部４０を備えている。動的負荷評価装置１００は車体電源１０１により作動する。加速度計１１－１３及び負荷情報提供装置５０、又はそのいずれか一方を含めて動的負荷評価装置１００と扱うこともある。負荷情報提供装置５０はオペレータ、サービスマン、機械管理者等に信号処理部３０の演算結果を提供する装置であり、例えばＬＣＤやＬＥＤ等の表示出力装置の他、印刷装置、他の演算装置（パーソナルコンピュータ、サーバ等）を適用することができる。また、こうした視覚的な出力態様の装置に限らず、スピーカー等の音声出力装置、或いは記録媒体や記憶装置に情報を記録する記録装置等も負荷情報提供装置５０の例である。また、負荷情報提供装置５０は、運転室９の他、例えば製造元や販売元、サービス業者、ユーザ等に置かれた管理センター等にも設置され得る。
　入力部２０は、加速度計１１－１３の信号をＡ／Ｄ変換及び増幅して信号処理部３０に出力するものである。出力装置４０は負荷情報提供装置５０に対して有線接続される場合の他、負荷情報提供装置５０の態様によっては無線接続される場合もある。
　信号処理部３０は、加速度計１１－１３の付近の構造物の負荷を演算する負荷演算部３１、負荷演算部３１の演算結果から各種出力内容を演算する出力演算部３２、各種情報を記憶する記憶部３３を備えている。
　負荷演算部３１は、頻度処理部３１ａ及び負荷換算部３１ｂを備えている。頻度処理部３１ａは、加速度計１１－１３の信号を頻度処理する（後述）。負荷換算部３１ｂは、振動に起因して加速度計１１－１３の付近の構造物にかかる負荷に相当する量である負荷相当量（後述）を頻度処理の結果を基に演算する（後述）。
　記憶部３３は、基準値記憶部３３ａ、許容値記憶部３３ｂ及び演算値記憶部３３ｃ等の記憶領域を持っている。基準値記憶部３３ａには、油圧ショベル１の作業中（走行中や掘削作業中）に加速度計１１－１３の付近の構造物にかかる負荷の各基準値（共通の値でも良い）が記憶されている。基準値は、対象とする部位の構造物の材質、構造、機体における位置等を考慮して予め入力設定した値であって、油圧ショベル１の標準的な作業（設計時の想定）から設定した値である。許容値記憶部３３ｂには、評価対象とする構造物について予め設定した許容累積負荷が記憶されている。許容累積負荷は、蓄積された負荷（後述する負荷相当量）がこの値に達すると破損し得る値、又は破損し得る値に対して余裕を考慮して設定した値であり、予め入力設定した値である。例えば、設計時に想定した使用時間だけ油圧ショベル１を標準的な使用条件（設定）で稼働させた場合の各部の構造物の負荷相当量（後述）の累積値を求めておき、これを許容累積負荷として設定することができる。演算値記憶部３３ｃには、負荷演算部３１や出力演算部３２の各種演算結果が記憶される。
　出力演算部３２は、疲労度演算部３２ａ、残寿命演算部３２ｂ及び時間分布演算部３２ｃ等の演算領域を含んでいる。疲労度演算部３２ａは、許容累積負荷に負荷相当量（後述）の累積値が占める割合を加速度計１１－１３の付近の構造物の疲労度、換言すれば、許容累積負荷を上限として負荷相当量がどこまで蓄積されているかの指標として演算する（後述）。残寿命演算部３２ｂは、許容累積負荷に負荷相当量の累積値が占める前述の割合を基に加速度計１１－１３の付近の構造物のそれぞれの残寿命を演算する（後述）。前述した許容累積負荷の値を構造物が破損し得る値として設定した場合には、ここで言う残寿命は破損に至るまでの目安の期間を指すことになる。時間分布演算部３２ｃは、演算値記憶部３３ｃから負荷演算部３１の所定期間（一定期間でも指定期間でも良い）の演算結果を読み出し、読み出した演算結果を基に所定期間の負荷の時間分布（時系列的な負荷変化）を演算する（後述）。
　３．演算出力動作
　（１）負荷演算部３１
　一般に構造物の負荷を表す損傷は次の式（１）で表される。
　　損傷＝Ｋ×σα×Ｎｆ　・・・（１）
　Ｋ：定数、σ：応力、Ｎｆ：繰り返し数、α：指数である。
　複数振幅の振動を受ける場合は、それらの損傷を次の式（２）のように足し合わせて累積損傷が求められる。
　　累積損傷＝Σ（Ｋ×σｉ α×Ｎｉ）　・・・（２）
　Ｋ：定数、σｉ：応力振幅、Ｎｉ：応力振幅σｉの繰り返し数、α：指数である。
　損傷を破損までの繰り返し数で割り、全ての振幅に渡って足し合わせたものを累積損傷度という。応力と加速度は線形の系では置換できるので、本例では次の式（３）で求める量を構造物にかかる負荷（応力）に相当する量（以下、負荷相当量という）として用いる。
　　負荷相当量Ｄ＝Σ（Ｋ２×ａｉ α×Ｎｉ）　・・・（３）
　ここで、Ｋ２：定数、ａｉ：加速度振幅、Ｎｉ：繰り返し数、α：指数である。応力と加速度は周波数特性が異なるが、応力の発生要因である変形モードを表す加速度を用いると（振動モードの腹となる位置（フレーム５の外周部等）では）、応力の累積損傷度と負荷相当量Ｄが図６のような比例関係になる。前述したように、加速度センサ１１－１３はこのような応力の累積損傷度と高い相関が得られる位置に設置してあるので、これら測定点でセンシングされる加速度を基に指標を演算することで、応力累積損傷度に相当する値を得ることができる。このような原理により負荷演算部３１では負荷相当量Ｄが演算される。
　具体的には、負荷演算部３１において、頻度処理部３１ａでは、入力部２０を介して入力されてくる加速度計１１－１３の信号が、一定期間毎に例えばレインフロー法によって頻度処理され、図７に示したような時系列データから発生振幅と回数のデータに変換される。そして、負荷換算部３１ｂでは、頻度処理部３１ａで演算された頻度データを基に上式から負荷相当量Ｄが演算される。
　（２）疲労度演算部３２ａ
　負荷演算装置３１では負荷相当量Ｄが逐次演算され、負荷演算装置３１による演算結果は時刻データとともに演算値記憶部３３ｃに記憶され蓄積されていく。負荷相当量Ｄは油圧ショベル１の動作に応じて時々刻々と変化する値である。疲労度演算部３２ａでは、所定の時間間隔で演算値記憶部３３ｃから負荷相当量Ｄのデータを読み出し、現在までの負荷相当量Ｄの累積値ＤＴＯＴ、及び稼働時間の累積値を演算し、これら演算結果を演算値記憶部３３ｃに記録する。
　また、演算した累積値を基に、次の式（４）のように構造物の疲労度を演算する。
　　　疲労度＝ＤＴＯＴ／ＤＳＴ　・・・（４）
　ＤＳＴ：標準的な使用条件で設計時に想定した時間だけ使用した場合の対象材の累積負荷相当量、すなわち前述した許容累積負荷であり、許容値記憶部３３ｂから読み出した値である。標準的な使用条件も設計時の想定である。
　上の式（４）から分かる通り、疲労度は、許容累積負荷に占める累積負荷の割合である。疲労度演算部３２ａは、逐次疲労度を演算し、演算した疲労度の値を演算値記憶部３３ｃに記録するとともに、出力部４０を介して負荷情報提供装置５０に出力する。負荷情報提供装置５０に出力するタイミングは、逐次でも良いしオペレータ等によって負荷情報提供装置５０の操作部で要求されたときでも良い。これにより、運転者、サービスマン、機械管理者等に疲労度が報知される。
　・出力例
　図８は負荷情報提供装置５０の疲労度の出力例を表した図である。
　同図では、負荷情報提供装置５０として例えば運転室９の内部に設置したモニタに疲労度を表示した例を表している。この例は加速度計の位置毎にその付近の構造物の疲労度の評価結果を棒グラフ形式で表示した例であり、許容累積負荷に対して現在どの程度まで各部の累積負荷が蓄積されているのかが視覚的に把握できるようにしてある。
　なお、同図中の位置Ａ－Ｃは、例えば図４に示した加速度計１１，１３，１２の位置をそれぞれ指している。位置Ｄは、例えば車体の左右方向における加速度計１２の対称部である。すなわち、車体右側におけるラジエータユニット１０の付近の構造物の疲労度を評価対象に加え、加速度計を位置Ｄに追加した例である。このように加速度計の位置や個数は図４の態様に限定されず、好ましくはフレーム５の外周部に少なくとも１つ設けてあれば良く、位置も評価対象部位によって適宜変更することができる。また、ここでは位置Ａ－Ｄという表記にしているが、具体的に「運転席付近」「オイルタンク付近」「ラジエータユニット（左）付近」等と評価対象部位の名称を表記しても良い。また、前述したように、出力態様はこの例に限定されず種々変更可能である。同図に例示した表示で言えば、位置Ａの付近で負荷が最も蓄積されていて、位置Ａの周辺に配されている機器の点検、メンテナンスが優先される等の判断ができる。
　（３）残寿命演算部３２ｂ
　残寿命演算部３２ｂは、累積負荷を基に各部の構造物の残寿命を演算し、その演算結果を演算値記憶部３３ｃに記録するとともに、逐次又は要求に応じて出力部４０を介して負荷情報提供装置５０に演算結果を出力する。累積負荷は、疲労度演算部３２ａと同様に負荷演算部３１で演算された負荷相当値を演算値記憶部３３ｃから読み出して演算しても良いが、この例では、例えば疲労度演算部３２ａで演算された累積負荷の値を演算値記憶部３３ｃから読み出すこととする。残寿命演算部３２ｂは、読み出した累積負荷を下の式（５）によって残寿命Ｔｐｒｅに換算する。ここで演算する残寿命Ｔｐｒｅは、破損又は所定の損傷度に至るまでの予測時間とする。
　　Ｔｐｒｅ＝Ｔｌｉｆｅ×｛（ＤＴＯＴ×Ｔｌｉｆｅ）／（Ｄｓｔ×Ｔ）｝１／α　　　(５)
　ここで、Ｔｌｉｆｅ：対象とする構造物について設計時に想定した当該構造物の使用時間、Ｔ：対象とする構造物の累積運転時間（計測時間）である。構造物の累積運転時間は、構造物が油圧ショベル１に組み入れられてからの累積時間ではなく、そのうちの油圧ショベル１の運転時間である。なお、式（５）は残寿命を評価する演算式の一例であり、例えば許容累積負荷と現在の累積負荷相当量の差分をとって、ここまでの負荷相当量の平均の累積ペース（又は予め設定した標準ペース）でその後負荷相当量が蓄積された場合に許容累積負荷に達するまでに要する時間を演算する式としても良い。
　残寿命の出力態様は特に図示していないが、オペレータ等が知ることができる態様であれば良い。例えば文字（表示・印刷等）や音声等で残寿命を報知することとしても良いし、併せて視覚的に把握し易い図表等を出力（表示・印刷等）するようにしても良い。
　（４）時間分布演算部３２ｃ
　時間分布演算部３２ｃは、負荷情報提供装置５０からの要求に応じて一定期間（例えば１日）の負荷相当量を演算値記憶部３３ｃから読み出し、その時系列データを負荷相当量の時間分布データとして出力部４０を介して負荷情報提供装置５０に出力する。また、基準値記憶部３３ａから基準値を読み出し、各時間の負荷相当量の基準値に対する大小関係を求める。
　・出力例
　図９は負荷情報提供装置５０の負荷相当量の時間分布の出力例を表した図である。
　同図では、例えばモニタに負荷相当量の経時的変化を視覚的に棒グラフで表示した場合を例示している。また、この例では、併せて基準値を表すラインをグラフに重ねて表示していて、作業負荷の高かった時間帯すなわち負荷相当量が基準値を超えた時間帯が視覚的に分かるようにしてある。
　４．効果
　（１）疲労度の評価
　本実施の形態によれば、上記の通り加速度計１１－１３の信号を基に負荷相当量を演算することにより、油圧ショベル１の走行や掘削作業時の振動による構造物の動的な負荷に基づく対象部位の構造物の疲労度を評価することができる。振動負荷による構造物の疲労状態を適正に評価することができるので、例えば修理が必要となる時期の予測、顧客への修理の提案、交換用部品の在庫管理等に役立つ。このように効率良くメンテナンスすることができるので、構造物の損傷を未然に防止することができ、油圧ショベル１の不測の故障を抑制することができる。
　（２）残寿命の評価
　本実施の形態では、疲労度の評価委加えて残寿命の予測値を演算することができる。現状把握に要する疲労度に加え、許容累積負荷に達するまでに残された具体的な時間を推定することで、サービスマンが修理時期を容易に見積もることができ、効率的な交換部品の準備等が可能になる。
　（３）負荷の時間分布の表示
　図９に示したように負荷の時間分布を表示、記録等することができるので、これを作業日報として作業の負荷を定量的に把握することができる。また、基準値との比較により、例えば高負荷作業が頻繁に生じていることが判明した場合、作業に対する機種の適正を見直すことができ、顧客に対してサービスマン等が機種の交換を提案すること等ができる。
　５．動的負荷評価システム
　図１０は上記の動的負荷評価装置１００で構成した動的負荷評価システムの一構成例を表した模式図である。
　同図に示したシステムは、管理装置２００及び複数の油圧ショベル１を備えている。各油圧ショベル１は前述したように動的負荷評価装置１００を搭載している。管理装置２００は、先に図８や図９に示したような表示を含めて個々の油圧ショベル１について動的負荷評価装置１００の出力信号を適宜の経路で取得し、例えばそのモニタ２０１等の出力装置を通じて管理者等に情報を提供することができる。油圧ショベル１から管理装置２００への情報送信経路は、例えば有線又は無線によるネットワーク、衛星通信の他、記録媒体を媒介した経路も考えられる。本構成例では、このように複数の油圧ショベル１についての大規模な情報を管理装置２００で一括して集約的に扱う。
　また、複数の油圧ショベル１の動的負荷評価装置１００の情報を集約的に管理することで、次のようなことも可能である。例えば、複数の地域にそれぞれ複数配置された油圧ショベル１からの負荷情報を取得することで、この情報を基に特定の地域（狭義には特定の現場を含む）で稼働する各油圧ショベル１について対象部位の構造物の負荷の分布を演算し、例えば図１０のように出力することができる。同図の例では、地域Ａで稼働する油圧ショベル１の負荷レベルに比べて、地域Ｂで稼働する油圧ショベル１、更には地域Ｃで稼働する油圧ショベル１の負荷レベルが高いことが分かる。また、地域Ａ，Ｂで稼働する油圧ショベル１に比べて、地域Ｃで稼働する油圧ショベル１は機体によって負荷レベルの差が大きいことが分かる。これら情報は、管理サーバ２００にアクセスしてサービスマン等がダウンロードすることができる。また、予め油圧ショベル１を使用する顧客、その業種等の情報を入力しておくことで、顧客別、業種別の分布を知ることもできる。
　この例によれば、負荷の大きな地域や顧客、業種に対して、手厚いサービスを提供することができ、サービスの適正化に貢献し得る。
　また、管理装置２００で取得された負荷情報を有線又は無線のネットワーク経由でサービスマンの携帯する端末等からダウンロードできるようにすれば、油圧ショベル１についてその負荷状態を現場で即座に把握することができ、サービス提供の柔軟性にも寄与し得る。
　６．その他
　上記実施の形態では、動的負荷評価装置１００に残寿命演算部３２ｂや時間分布演算部３２ｃを設けて構造物の残寿命や負荷の時間分布等の情報を取得できるように構成したが、本発明の本質は動的負荷に起因する疲労度を評価することにある。したがって、残寿命演算部３２ｂや時間分布演算部３２ｃ等の更なる情報を取得する回路については適宜省略可能である。
　また、フレーム５における負荷の評価対象機器を搭載した部分の外周部に加速度計を搭載することが望ましいが、外周部でなくても振動のモードの腹となる部分が他に存在すればそこに加速度計を設置することができる。振動のモードの腹の付近にない機器の負荷情報を取得したい場合等においては、振動のモードの腹から離れた場所であっても加速度計を設置することはできる。このような場合、応力の損傷度と負荷相当量の関係を線形とせず、先に図６に示したような曲線を想定して換算式を立てれば良い。また、加速度計の設置位置はフレーム５にも限定されず、評価対象によって油圧ショベル１の適宜の位置、例えば、走行体４を構成するトラックフレーム等の支持構造物や、作業装置６を構成するブーム６やアーム等の構造物等に設置され得る。
　また、上記実施の形態では、油圧ショベル１に本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明は、例えばホイールローダを含む他の種類の作業機械にも適用可能であり、同様の効果を奏することができる。
１　　　　　油圧ショベル（建設機械）
３　　　　　旋回体
４　　　　　走行体
５　　　　　フレーム（構造物）
６　　　　　作業装置
１１－１３　加速度計
２０　　　　入力部
３０　　　　信号処理部
３１　　　　負荷演算部
３２ａ　　　疲労度演算部
３２ｂ　　　残寿命演算部
３２ｃ　　　時間分布演算部
３３ｃ　　　演算値記憶部
４０　　　　出力部
５０　　　　負荷情報提供装置
１００　　　動的負荷評価装置
２００　　　管理装置
Ｄ　　　　　負荷相当量

Claims (7)

  1. 　建設機械の構造物に設けた加速度計の信号を入力する入力部、
    　前記加速度計の信号を演算処理する信号処理部、及び
    　前記信号処理部の演算結果を出力する出力部を備え、
    　前記信号処理部が、
    　振動に起因して前記構造物にかかる負荷に相当する量である負荷相当量を前記加速度計の出力を基に演算する負荷演算部と、
    　前記構造物について予め設定した許容累積負荷に前記負荷相当量の累積値が占める割合を前記構造物の疲労度として演算する疲労度演算部と
    を備えていることを特徴とする動的負荷評価装置。
  2. 　請求項１の動的負荷評価装置において、前記信号処理部が、前記許容累積負荷に前記負荷相当量の累積値が占める割合を基に前記構造物の残寿命を演算する残寿命演算部を備えていることを特徴とする動的負荷評価装置。
  3. 　請求項１の動的負荷評価装置において、
    　前記信号処理部が、
    　前記負荷演算部の演算結果を記憶する演算値記憶部と、
    　前記演算値記憶部から読み出した演算結果を基に一定期間の負荷の時間分布を演算する時間分布演算部と
    を備えていることを特徴とする動的負荷評価装置。
  4. 　請求項１－３のいずれかの動的負荷評価装置において、前記出力部の出力信号を基に前記信号処理装置の演算結果を出力する負荷情報提供装置を備えたことを特徴とする動的負荷評価装置。
  5. 　特定地域に配備された複数の建設機械にそれぞれ搭載した請求項１－３のいずれかの動的負荷評価装置と、
    　前記動的負荷評価装置の出力信号を基に前記複数の建設機械の構造物の負荷の前記特定地域における分布を演算し出力する管理装置と
    を備えていることを特徴とする動的負荷評価システム。
  6. 　建設機械において、
    　構造物に設けた加速度計、
    　前記加速度計の信号を入力する入力部、
    　前記加速度計の信号を演算処理する信号処理部、及び
    　前記信号処理部の演算結果を出力する出力部を備え、
    　前記信号処理部が、
    　振動に起因して前記構造物にかかる負荷に相当する量である負荷相当量を前記加速度計の出力を基に演算する負荷演算部と、
    　前記構造物について予め設定した許容累積負荷に前記負荷相当量の累積値が占める割合を前記構造物の疲労度として演算する疲労度演算部と
    を備えていることを特徴とする建設機械。
  7. 　請求項６の建設機械において、
    　走行体と、
    　前記走行体の上部に旋回可能に設けた旋回体と、
    　前記旋回体に設けた作業装置とを備え、
    　前記加速度計が、前記旋回体のフレームの外周部に備えられていることを特徴とする建設機械。
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