JP3768437B2 - 作業機の強度評価方法、強度評価システム、強度評価装置、および強度評価を行うためのプログラム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、場内での負荷試験に基づいて油圧ショベル等の強度評価を行う作業機の強度評価方法、強度評価システム、強度評価装置、および強度評価を行うためのプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば油圧ショベル等のフロント構造物の強度評価を行う場合、作業現場において油圧ショベルを実稼働させてフロント各部の応力を測定し、この応力測定値に基づいて強度評価を行っていた。また、試作機の試験等、測定項目が多岐に渡り、作業現場で試験を行うことが効率的でない場合には、場内で実稼働状態を模した負荷試験を行い、その試験結果に基づいて強度評価を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、場内試験はあくまで実稼働状態を模した試験であり、場内試験によりフロント構造物の強度評価を精度よく行うことは難しかった。すなわち、一般に場内では実稼働時より厳しめの条件で試験することが多く、この場内試験結果に基づいて構造物を強度評価したのでは、安全率を過大に設定したこととなり、最適な形状設計を行うことができない。
【０００４】
本発明の目的は、場内試験により構造物の強度評価を精度よく行うことができる作業機の強度評価方法、強度評価システム、強度評価装置、および強度評価を行うためのプログラムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
１， 請求項１の発明は、第１の種類の作業機と第２の種類の作業機の試験結果に基づいて第１の種類の作業機を強度評価する作業機の強度評価方法であって、（１）標準動作パターンにしたがった第２の種類の作業機の場内試験により作業機各部の標準応力を検出し、（２）第２の種類の作業機により現場で実作業を行ったときの作業機各部の実作業応力を検出し、（３）前記応力と前記実作業応力とに基づいて補正係数を算出して記憶し、（４）標準動作パターンにしたがった第１の種類の作業機の場内試験により作業機各部の標準応力を検出し、（５）この応力検出値を補正係数で補正し、補正後の応力に基づいて第１の種類の作業機を強度評価することにより上述した目的を達成する。
２， 請求項２の発明は、請求項１に記載の作業機の強度評価方法において、（１）第２の種類の作業機により現場で実作業を行ったときの動作を分析し、（２）第２の種類の作業機の標準応力の検出結果と実作業応力の検出結果を同一の動作の下で比較し、各動作毎に補正係数を設定するものである。
３， 請求項３の発明による作業機の強度評価システムは、標準動作パターンにしたがった場内試験を行う第１の種類の作業機と、標準動作パターンにしたがった場内試験および現場での実作業をそれぞれ行う第２の種類の作業機と、第２の種類の作業機の場内試験による作業機各部の標準応力を検出する第１の応力検出手段と、第２の種類の作業機により現場で実作業を行ったときの作業機各部の実作業応力を検出する第２の応力検出手段と、第１の種類の作業機の場内試験による作業機各部の標準応力を検出する第３の応力検出手段と、第１の応力検出手段と第２の応力検出手段による検出結果に基づいて補正係数を算出する係数算出手段と、補正係数を記憶する記憶手段と、第３の応力検出手段による検出結果を補正係数で補正した補正後応力を算出する算出手段と、算出された補正後応力に基づいて、作業機の強度評価を演算する評価手段とを備えることにより上述した目的を達成する。
４， 請求項４の発明による作業機の強度評価装置は、標準動作パターンによる標準作業を行ったときの作業機各部の標準応力を予め検出して記憶する第１の記憶手段と、実作業を行ったときの作業機各部の実作業応力を予め検出して記憶する第２の記憶手段と、標準応力と実作業応力とに基づいて補正係数を算出する係数算出手段と、補正係数を記憶する第３の記憶手段と、標準動作パターンによる標準作業を行ったときの作業機各部の標準応力を補正係数で補正した補正後応力を算出する算出手段と、算出された補正後応力に基づいて、作業機の強度評価を演算する評価手段とを備えることにより上述した目的を達成する。
５， 請求項５の発明によるプログラムは、標準動作パターンによる標準作業を行ったときの作業機各部の標準応力と実作業を行ったときの作業機各部の実作業応力とに基づき算出された補正係数に基づいて、標準動作パターンによる標準作業を行ったときの作業機各部の標準応力を補正する手順と、補正手順により補正された補正後応力に基づいて、作業機の強度評価を演算する手順とをコンピュータで実行して強度評価を行うためのプログラムとしたことにより上述した目的を達成する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を参照して本発明による作業機の強度評価方法の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係わる強度評価方法が適用される油圧ショベル１０の斜視図であり、図２は、本実施の形態に係わる場内試験のシステム構成を示すブロック図である。図１に示すように、油圧ショベル１０は、走行体１と、走行体１上に旋回可能に搭載された旋回体２と、旋回体２に回動可能に取り付けられたブーム３Ａ、アーム３Ｂ、バケット３Ｃからなるフロント装置３とを有する。ブーム３Ａはブームシリンダ３ａの伸縮により回動し、アーム３Ｂはアームシリンダ３ｂの伸縮により回動し、バケット３Ｃはバケットシリンダ３ｃの伸縮により回動する。フロント装置３には、フロント各部の応力σ1を検出する歪みゲージなどの応力検出器４（図２参照）が設けられている。
【０００７】
一般に、油圧ショベルは、車両重量により大型、中型、小型などにクラス分けされる。本実施の形態では、例えば新機種の中型の油圧ショベル１０の強度評価を行う。この場合、油圧ショベル１０と同クラス（中型）の油圧ショベル２０を予め場内試験するとともに、油圧ショベル２０とほぼ同機種の油圧ショベル３０を現場で試験して補正係数αを求める。そして、油圧ショベル１０の場内試験によって検出されたフロント各部の応力σ1を後述するように補正係数αで補正し、この応力補正値σAに基づいてフロント装置３の強度評価を行う。なお、場内試験とは、予め定められた標準動作パターンに従って工場内で作業機を駆動し、そのときの応力、油圧、油温などの実測データから作業機が正常に動作しているか否かを確認する試験である。
【０００８】
図２に示すように、強度評価システムは、応力検出器４と、ハードディスク等の記憶装置５と、ＣＰＵ,ＲＯＭ,ＲＡＭなどからなる演算装置６と、モニタやプロッタ等の出力装置７とを有する。応力検出器４と記憶装置５からの信号は演算装置６に入力される。演算装置６には各種プログラムやフロント装置３の疲労寿命評価線図（Ｓ−Ｎ線図）などが記憶されている。記憶装置５には補正係数αが記憶され、演算装置６での処理によって応力検出値σ1が補正係数αで補正されるとともに、Ｓ−Ｎ線図に補正後応力σAを適用して疲労寿命が推定される。この推定寿命は応力σAとともに出力装置７に出力される。
【０００９】
以下、補正係数αの算出方法について説明する。図３は、補正係数αの算出方法を示すブロック図である。補正係数αの算出にあたっては、まず、油圧ショベル１０と同クラス（中型）の油圧ショベル２０を工場内で試験稼働（場内試験）する。油圧ショベル２０のフロント装置３には油圧ショベル１０と同様、フロント各部の応力σ1を検出する応力検出器４が設けられている。応力検出器４からの信号とそのときの動作パターンは係数算出部４０の場内試験記憶部４０ａに記憶される。なお、油圧ショベル１０と油圧ショベル２０がほぼ同機種の場合、油圧ショベル２０を場内試験する代わりに油圧ショベル１０を場内試験して補正係数αを算出し、その補正係数αを用いて油圧ショベル１０の強度評価を行うようにしてもよい。
【００１０】
次に、油圧ショベル２０とほぼ同機種の油圧ショベル３０を作業現場で試験稼働（現場試験）する。この油圧ショベル３０のフロント装置３の各シリンダ３ａ〜３ｃには、シリンダストロークＳをそれぞれ検出するストロークセンサ３１と、シリンダ３ａ〜３ｃの圧力Ｐ（ロッド室圧力とボトム室圧力）をそれぞれ検出する圧力センサ３２が設けられている。これらセンサ３１,３２からの信号は係数算出部４０の現場試験記憶部４０ｂに記憶される。なお、油圧ショベル３０の代わりに油圧ショベル２０を用いて現場試験を行ってもよい。すなわち、同一の油圧ショベル２０により場内試験と現場試験をそれぞれ行うようにしてもよい。
【００１１】
係数算出部４０では所定のプログラムを実行して補正係数αを算出し、記憶部５０に格納する。図４は、係数算出部４０で実行される処理の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１では現場試験記憶部４０ｂに記憶されたストロークセンサ３１および圧力センサ３２からの信号を取り込む。次いで、ステップＳ２でストロークセンサ３１からの検出値Ｓに基づいてフロント装置３の姿勢変化、すなわち油圧ショベル３０の動作を分析する。ステップＳ３では圧力センサ３２からの検出値Ｐに基づいてフロント各部の応力2を算出する。ステップＳ２、ステップＳ３の処理は次のように行う。
【００１２】
図５は、フロント装置３を梁要素でモデル化した一例である。動作分析を行うには、まず、梁要素を構成する節点データの初期座標（Ｘ,Ｙ）およびシリンダ３ａ〜３ｃの初期ストロークを定める。そして、この初期状態からのシリンダ３ａ〜３ｃのストローク量Ｓに応じてシリンダ３ａ〜３ｃに対応する梁要素（図では３ａ〜３ｃ）の長さを変化させ、フロント装置３の姿勢変化を検出する。係数算出部４０にはフロント装置３の姿勢変化に対応した動作パターン（掘削、旋回など）が予め記憶され、これにより、フロント装置３がどのパターンに従って姿勢変化したかを判定する。すなわち、油圧ショベル３０の動作を分析する。
【００１３】
現場試験におけるフロント各部の応力σを算出するには、上述したようにシリンダストロークＳに応じてフロント装置３を姿勢変化させ、その状態で梁要素３ａ〜３ｃの節点に圧力センサ３２からの検出値Ｐに応じた負荷を作用させる。これにより、各節点に作用するピン荷重を算出し、このピン荷重を用いて梁要素に作用する断面応力σを算出する。なお、シリンダストロークＳとシリンダ圧力Ｐから応力σを算出するのではなく、場内試験と同様にフロント各部に応力検出器４を設け、この応力検出器４により現場試験の応力σを直接検出するようにしてもよい。現場試験の動作分析結果および応力算出結果の一例を図６（ａ）に示す。図中の応力Ａ1〜Ａ4は、各動作の下での最大応力σ（ピーク応力）である。
【００１４】
ステップＳ４では場内試験記憶部４０ａに記憶された応力検出器４からの信号とそのときの動作パターンを取り込む。この場合、油圧ショベル２０の場内試験は例えば図６（ｂ）に示すような動作パターンにしたがって行う。各動作の下での最大応力σ1はＢ1〜Ｂ4で示す。
【００１５】
ステップＳ５では、現場試験により算出した応力σ2と場内試験により検出した応力σ1の比をとって補正係数αを算出する。この場合、動作パターンが同一なもの同士、すなわち、応力Ａ1とＢ1、Ａ2とＢ2、Ａ3とＢ3、Ａ4とＢ4のそれぞれ比をとって（Ａ1/Ｂ1,Ａ2/Ｂ2,Ａ3/Ｂ3,Ａ4/Ｂ4）動作パターン毎に補正係数αを算出する。そして、この補正係数αを記憶部５０に格納し、処理を終了する。なお、説明の便宜上、記憶装置５とは別に記憶部５０を設けたが、記憶装置５が記憶部５０を兼ねるようにしてもよい。
【００１６】
油圧ショベル１０のフロント装置３の強度評価は次のように行う。
▲１▼まず、上述したように油圧ショベル２０の場内試験と油圧ショベル３０の現場試験を行い、動作パターンに対応した補正係数αを求め、記憶部５０に格納する。
▲２▼次に、この補正係数αを記憶装置５に記憶するとともに、所定の動作パターンに従って油圧ショベル１０の場内試験を行い、応力検出器４によりフロント各部の応力σ1を検出する。
▲３▼演算装置６では、この動作に対応する補正係数αを記憶装置５から読み込み、その補正係数αに応力検出値σ1を乗じて応力σA（＝α×σ1）を算出し、出力装置７に出力する。
▲４▼さらに、演算装置６では、予め記憶されたフロント装置３の疲労寿命評価線図（Ｓ−Ｎ線図）に補正後応力σAを適用し、実稼働時の寿命を推定して、出力装置７に出力する。これによりフロント装置３の強度評価を行う。なお、演算装置６に予め応力許容値を記憶し、補正後応力σAがこの許容値以下か否かによりフロント装置３の強度評価を行うようにしてもよい。
【００１７】
このように本実施の形態では、場内試験による応力検出値σ1と現場試験による応力検出値σ2とを比較して応力検出値σ1から応力検出値σ2を推定するための補正係数αを求め、この補正係数αにより応力検出値σ1を補正するようにした。これにより、一旦補正係数αを求めれば、以降、現場試験を行わなくても場内試験によってフロント装置３を精度よく強度評価することができる。また、フロント装置３の動作パターンを分析し、動作パターンに応じて補正係数αを設定するようにしたので、応力補正の精度が一層向上する。
【００１８】
なお、上記実施の形態では油圧ショベルのフロント装置３、とくにバックホウフロントに適用するようにしたが、ローダフロントに適用してもよい。また、フロント装置３以外の他の構造部に適用してもよい。さらに、油圧ショベル以外の他の作業機に適用してもよい。
【００１９】
以上の実施の形態と請求項との対応において、油圧ショベル１０が第１の種類の作業機を、油圧ショベル２０,３０が第２の種類の作業機を、油圧ショベル２０に設けられた応力検出器４が第１の応力検出手段を、油圧ショベル３０に設けられたストロークセンサ３１および圧力センサ３２が第２の応力検出手段を、油圧ショベル１０に設けられた応力検出器４が第３の応力検出手段を、係数算出部４０が係数算出手段を、記憶装置５が記憶手段を、演算装置６が算出手段を、演算装置６が評価手段を、場内試験記憶部４０ａが第１の記憶手段を、現場試験記憶部４０ｂが第２の記憶手段を、記憶部５０が第３の記憶手段を、それぞれ構成する。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、場内試験により求めた標準応力と現場試験により求めた実作業応力とに基づいて補正係数を算出し、この補正係数で場内試験による標準応力検出値を補正するようにした。これにより、一旦補正係数を求めれば、以降、現場試験を行わなくても場内試験によって構造物を精度よく強度評価することができ、最適な形状設計を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる強度評価方法が適用される油圧ショベルの斜視図。
【図２】本発明の実施の形態に係わる強度評価方法による場内試験のシステム構成を示すブロック図。
【図３】本発明の実施の形態に係わる強度評価方法で用いる補正係数の算出方法を示すブロック図。
【図４】図３の係数算出部で実行される処理の一例を示すフローチャート。
【図５】フロント装置を梁要素でモデル化した一例を示す図。
【図６】場内試験と現場試験の動作パターンの一例を示す図。
【符号の説明】
３ フロント装置 ３Ａ ブーム
３Ｂ アーム ３Ｃ バケット
３ａ,３ｂ,３ｃ シリンダ ４ 応力検出器
５ 記憶装置 ６ 演算装置
７ 出力装置 １０,２０,３０ 油圧ショベル
３１ ストロークセンサ ３２ 圧力センサ
４０ 計数算出部 ４０ａ 場内試験記憶部
４０ｂ 場外試験記憶部

Claims (5)

1. 第１の種類の作業機と第２の種類の作業機の試験結果に基づいて第１の種類の作業機を強度評価する作業機の強度評価方法であって、
   （１）標準動作パターンにしたがった前記第２の種類の作業機の場内試験により作業機各部の標準応力を検出し、
   （２）前記第２の種類の作業機により現場で実作業を行ったときの作業機各部の実作業応力を検出し、
   （３）前記標準応力と前記実作業応力とに基づいて補正係数を算出して記憶し、
   （４）標準動作パターンにしたがった前記第１の種類の作業機の場内試験により作業機各部の標準応力を検出し、
   （５）この応力検出値を前記補正係数で補正し、補正後の応力に基づいて前記第１の種類の作業機を強度評価することを特徴とする作業機の強度評価方法。
2. 請求項１に記載の作業機の強度評価方法において、
   （１）前記第２の種類の作業機により現場で実作業を行ったときの動作を分析し、
   （２）前記第２の種類の作業機の前記標準応力の検出結果と前記実作業応力の検出結果を同一の動作の下で比較し、各動作毎に前記補正係数を設定することを特徴とする作業機の強度評価方法。
3. 標準動作パターンにしたがった場内試験を行う第１の種類の作業機と、
   標準動作パターンにしたがった場内試験および現場での実作業をそれぞれ行う第２の種類の作業機と、
   前記第２の種類の作業機の場内試験による作業機各部の標準応力を検出する第１の応力検出手段と、
   前記第２の種類の作業機により現場で実作業を行ったときの作業機各部の実作業応力を検出する第２の応力検出手段と、
   前記第１の種類の作業機の場内試験による作業機各部の標準応力を検出する第３の応力検出手段と、
   前記第１の応力検出手段と前記第２の応力検出手段による検出結果に基づいて補正係数を算出する係数算出手段と、
   前記補正係数を記憶する記憶手段と、
   前記第３の応力検出手段による検出結果を前記補正係数で補正した補正後応力を算出する算出手段と、
   前記算出された補正後応力に基づいて、作業機の強度評価を演算する評価手段とを備えることを特徴とする作業機の強度評価システム。
4. 標準動作パターンによる標準作業を行ったときの作業機各部の標準応力を予め検出して記憶する第１の記憶手段と、
   実作業を行ったときの作業機各部の実作業応力を予め検出して記憶する第２の記憶手段と、
   前記標準応力と前記実作業応力とに基づいて補正係数を算出する係数算出手段と、
   前記補正係数を記憶する第３の記憶手段と、
   標準動作パターンによる標準作業を行ったときの作業機各部の標準応力を前記補正係数で補正した補正後応力を算出する算出手段と、
   前記算出された補正後応力に基づいて、作業機の強度評価を演算する評価手段とを備えることを特徴とする作業機の強度評価装置。
5. 標準動作パターンによる標準作業を行ったときの作業機各部の標準応力と実作業を行ったときの作業機各部の実作業応力とに基づき算出された補正係数に基づいて、標準動作パターンによる標準作業を行ったときの作業機各部の標準応力を補正する手順と、
   前記補正手順により補正された補正後応力に基づいて、作業機の強度評価を演算する手順とをコンピュータで実行して強度評価を行うためのプログラム。

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