JP6903567B2

JP6903567B2 - 作業車両

Info

Publication number: JP6903567B2
Application number: JP2017249733A
Authority: JP
Inventors: 昌紀奥山; 智弘柴田; 実寛高橋; 洸人稲積
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: JP2019116721A

Description

本発明は、作業部を有する作業車両に関する。

バックホー、ホイルローダ等の作業車両においては、複数の油圧ポンプにより供給された作動油により複数の油圧アクチュエータを駆動させることで、複数の作業部を動作させるようにしている。

下記特許文献１には、作業機械の油圧ポンプの故障診断装置が開示されている。特許文献１では、エンジン始動から停止までの間に油圧ポンプの吐出圧及び吐出流量を収集し、エンジン始動回数ｎ回目における最大吐出流量Ｄ１_２（ｎ）と、最大吐出流量時点での吐出圧Ｄ１_１（ｎ）とを得る。そして、吐出圧Ｄ１_１（ｎ）の時の目標ポンプ吐出流量理論値Ｑ１ａを算出し、実際の吐出流量Ｄ１_２（ｎ）が目標ポンプ吐出流量理論値Ｑ１ａの−１０％よりも小さい場合、エンジン始動回数ｎ回目の判定結果を１とする。このような処理がエンジン始動毎に繰り返され、複数回分の判定結果が全て１であった場合、油圧ポンプが故障していると判定される。

特開２００２−２４２８４９号公報

特許文献１では、エンジン始動から停止まで吐出圧及び吐出流量を収集し続け、最大吐出流量と、これに対応する吐出圧とを取得した上で油圧ポンプに異常が発生しているか否かを判定する。特許文献１では、複数回分の判定結果が全て１となるまで故障と判定されないため、油圧ポンプの異常が発生した場合にその初期段階で異常を検知することは難しい。また、油圧ポンプに異常が発生しているにもかかわらず、突発的に、理論値に近い流量で圧油が吐出されてしまった場合、あるいは断続的に異常の症状が現れる場合において、油圧ポンプに異常が生じていると判定することはできない。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、油圧ポンプの異常を速やかに検知することが可能な作業車両を提供することを目的とする。

本発明の作業車両は、作業部を有する作業車両であって、
前記作業部を駆動する油圧アクチュエータと、
前記油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプと、
前記作業部の駆動時において、前記油圧ポンプの吐出圧及び吐出流量のデータを繰り返し取得するデータ取得部と、
前記データ取得部によって取得された吐出圧及び吐出流量のデータをＰＱ特性図に配置し、前記油圧ポンプの最大出力を示すＰＱ特性曲線近傍の予め定められた領域のデータ密度が所定のデータ密度と一定以上異なる場合に、前記油圧ポンプに異常が発生していると判定する異常判定部と、を備えるものである。

作業車両の作業部は、油圧アクチュエータによって駆動される。この油圧アクチュエータには、油圧ポンプから作動油が供給される。一般的に、油圧ポンプの性能は、吐出圧と吐出流量の関係を示すＰＱ特性図によって表される。本発明は、油圧ポンプに異常が発生した場合、ＰＱ特性図において、油圧ポンプの吐出圧及び吐出流量のデータ密度が変化することに着目したものである。より具体的には、本発明は、油圧ポンプに異常が発生した場合、油圧ポンプの最大出力を示すＰＱ特性曲線付近のデータ密度が低下することに着目したものである。本発明は、吐出圧及び吐出流量をモニタリングし、ＰＱ特性曲線近傍の領域のデータ密度が正常時のデータ密度と一定以上異なるようになった段階で、油圧ポンプに異常が発生したものと判定する。よって、油圧ポンプの異常を速やかに検知することができる。

本発明において、前記油圧アクチュエータは、油圧シリンダを含み、
前記データ取得部は、前記吐出圧に相当する値として前記油圧シリンダの圧力を使用し、前記吐出流量に相当する値として前記油圧シリンダの流量を使用するものでもよい。

油圧ポンプに異常が発生した場合、油圧ポンプによって駆動される油圧シリンダにも影響が生じる。よって、油圧シリンダのＰＱ特性を油圧ポンプのＰＱ特性に相当するものとして、油圧シリンダの圧力及び流量をモニタリングすることで、油圧ポンプの異常の発生を判定することができる。

本発明において、前記異常判定部は、前記データ取得部によって取得された吐出圧及び吐出流量のデータのうち、前記油圧ポンプの駆動源の負荷が所定負荷以上又は前記油圧ポンプの仕事量が所定の仕事量以上の場合に取得されたデータを、前記油圧ポンプの異常発生の判定に使用するものでもよい。

この構成によれば、データ取得部によって取得された吐出圧及び吐出流量のデータから、ノイズや、実作業中以外（例えばアイドリング中）のデータを除去することができる。よって、油圧ポンプに異常が発生したか否かを、より確実に判定することができる。

本実施形態に係るバックホーの左側面図である。ポンプ異常検知システムの構成を示す機能ブロック図である。データ取得部の構成を示す機能ブロック図である。油圧ポンプのＰＱ特性図を模式的に示した図である。正常時の吐出圧及び吐出流量の分布を示す図である。異常時の吐出圧及び吐出流量の分布を示す図である。ポンプ異常検知方法の手順を示すフローチャートである。他の実施形態に係るデータ取得部の構成を示す機能ブロック図である。ブームシリンダ長さとブーム角の関係を示す図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、図１を参照しながら、作業車両の一例としてのバックホー１の概略構造について説明する。ただし、作業車両としては、バックホー１に限定されず、ホイルローダ等の他の車両でもよい。バックホー１は、走行装置２と、作業装置３と、旋回装置４とを備える。

走行装置２は、エンジン４２からの動力を受けて駆動し、バックホー１を走行させる。走行装置２は、左右一対のクローラ２１，２１及び左右一対の走行モータ２２，２２を備える。油圧モータである左右の走行モータ２２，２２が左右のクローラ２１，２１をそれぞれ駆動することでバックホー１の前後進を可能としている。また、走行装置２には、ブレード２３、及びブレード２３を上下方向に回動させるための油圧アクチュエータであるブレードシリンダ２４が設けられている。

作業装置３は、エンジン４２からの動力を受けて駆動し、土砂等の掘削作業を行うものである。作業装置３は、ブーム３１、アーム３２、及びバケット３３を備え、これらを独立して駆動することによって掘削作業を可能としている。ブーム３１、アーム３２、及びバケット３３は、それぞれ作業部に相当し、バックホー１は、複数の作業部を有する。

ブーム３１は、一端部が旋回装置４の前部に支持されて、伸縮自在に可動するブームシリンダ３１ａによって回動される。また、アーム３２は、一端部がブーム３１の他端部に支持されて、伸縮自在に可動するアームシリンダ３２ａによって回動される。そして、バケット３３は、一端部がアーム３２の他端部に支持されて、伸縮自在に可動するバケットシリンダ３３ａによって回動される。ブームシリンダ３１ａ、アームシリンダ３２ａ、及びバケットシリンダ３３ａは、作業部を駆動する油圧アクチュエータに相当する。

旋回装置４は、作業装置３を旋回させるものである。旋回装置４には、操縦部４１、エンジン４２、旋回台４３、旋回モータ４４等が配置されている。油圧モータである旋回モータ４４が旋回台４３を駆動することによって作業装置３を旋回させる。また、旋回装置４には、エンジン４２により駆動される複数の油圧ポンプ（図１に図示していない）が配設される。これらの油圧ポンプが、ブームシリンダ３１ａ、アームシリンダ３２ａ、及びバケットシリンダ３３ａに作動油を供給する。

操縦部４１には、操縦席４１１が配置されている。操縦席４１１の左右に一対の作業操作レバー４１２，４１２、前方に一対の走行レバー４１３，４１３が配置されている。オペレータは、操縦席４１１に着座して作業操作レバー４１２，４１２、走行レバー４１３，４１３等を操作することによって、エンジン４２、各油圧モータ、各油圧アクチュエータ等の制御を行い、走行、旋回、作業等を行うことができる。

本実施形態のポンプ異常検知システム５は、上記のような作業車両に設けられるものであり、図２は、ポンプ異常検知システム５の構成を示すブロック図である。ポンプ異常検知システム５は、データ取得部５１と、データ記憶部５２と、異常度計算部５３と、異常判定部５４とを備えている。

データ取得部５１は、作業部の駆動時において、油圧ポンプの吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータを繰り返し取得する。データ取得部５１は、図３に示すように、油圧ポンプの吐出圧Ｐを計測する圧力センサ５１１と、吐出流量Ｑを計測する流量センサ５１２とを備えている。

一般的に、油圧ポンプの性能は、図４に示すようなＰＱ特性図で表される。横軸は吐出圧Ｐ、縦軸は吐出流量Ｑである。ＰＱ特性図において、ＰＱ特性曲線Ｇは、油圧ポンプの最大出力を示している。ＰＱ特性曲線Ｇは、油圧ポンプ毎に予め決まっている。

油圧ポンプが正常な場合、油圧ポンプが駆動している間の吐出圧Ｐと吐出流量ＱのデータをＰＱ特性図にプロットすると、図５Ａに示すようにＰＱ特性曲線Ｇ付近にデータが集中する。すなわち、図５Ａに示される状態では、油圧ポンプは正常に駆動しており、最大出力を発生し得る。

一方、油圧ポンプに異常が発生している場合、油圧ポンプが駆動している間の吐出圧Ｐと吐出流量ＱのデータをＰＱ特性図にプロットすると、油圧ポンプは、最大出力を発生することができないため、図５Ｂに示すようにＰＱ特性曲線Ｇ付近のデータ密度が低下する。そのため、ＰＱ特性曲線Ｇ付近のデータ密度が所定のデータ密度と一定以上異なる場合、油圧ポンプに異常が発生していると判定することができる。ＰＱ特性曲線Ｇ付近のデータ密度が所定のデータ密度と一定以上異なるとは、例えば、両データ密度分布が完全に不一致のとき（例えば、後述するｆ_０（ｐ，ｑ）とｆ（ｐ，ｑ）との差が２のとき）の１０％以上異なることをいう。

データ記憶部５２は、データ取得部５１によって取得されたデータを記憶することができる。データ記憶部５２には、油圧ポンプが正常に駆動しているとき（正常時）における吐出圧Ｐと吐出流量Ｑのデータも記憶されている。

異常度計算部５３は、データ記憶部５２に記憶されたデータを用いて異常度Ａｎｏｍを計算する。異常度Ａｎｏｍの計算には、正常時の吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータの密度分布ｆ_０（ｐ，ｑ）と、データ取得部５１で取得された吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータの密度分布ｆ（ｐ，ｑ）とが用いられる。

密度分布ｆ（ｐ，ｑ）は、ＰＱが所定値以上の範囲に該当するデータから推定される。密度分布ｆ（ｐ，ｑ）の推定に用いる手法は、カーネル密度推定のようなノンパラメトリックな手法であっても良いし、最尤推定のようなパラメトリックな手法でも良い。ＰＱが所定値以上の範囲とは、図５Ｂの曲線Ｔよりも吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑが大きな範囲である。すなわち、データ取得部５１によって取得されたデータのうち、油圧ポンプの仕事量（ＰＱ）が所定の仕事量以上の場合に取得されたデータを、油圧ポンプの異常発生の判定に使用している。これにより、ＰＱ特性曲線Ｇ付近のデータに基づいて密度分布ｆ（ｐ，ｑ）を推定できる。

異常度Ａｎｏｍは、下記の式（１）により計算することができる。

なお、式（１）において、油圧ポンプの高負荷部分の密度変化を敏感に捉えたいため、活性化関数としてｐ×ｑを掛けている。ただし、このような計算を簡便にすべく、例えば異常の検出精度は下がるものの、ＰＱ特性曲線Ｇ付近のデータから計算されるＰＱの平均値や中央値でもって異常度とすることも可能である。

異常判定部５４は、異常度計算部５３で計算された異常度Ａｎｏｍが閾値を超えている否かを判定し、異常度Ａｎｏｍが閾値を超えていれば、油圧ポンプに異常が発生していると判定する。閾値は、例えば、正常時において異常度のある値となる確率を確率密度関数で表し、誤検知率が一定以下（例えば１０^−９）となる値とする。

次に、上記のポンプ異常検知システム５を用いたポンプ異常検知方法について説明する。図６は、ポンプ異常検知方法の手順を示すフローチャートである。

まず、エンジンをオンすると（ステップＳ１）、油圧ポンプもオンとなる。油圧ポンプがオンとなると、圧力センサ５１１により油圧ポンプの吐出圧Ｐを計測し、それと同時に流量センサ５１２により油圧ポンプの吐出流量Ｑを計測し、吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータを繰り返し取得する（ステップＳ２）。圧力センサ５１１及び流量センサ５１２によって取得された吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータは、データ記憶部５２（メモリ）に記憶される。

次いで、データ記憶部５２に一定数以上のデータが保存されているか否かを判定する（ステップＳ３）。ここで、一定数以上のデータとは、数千〜数万のデータである。ステップＳ３では、圧力センサ５１１及び流量センサ５１２によって取得された吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータのうち、油圧ポンプの駆動源（エンジン４２）の負荷が所定負荷以上又は油圧ポンプの仕事量が所定の仕事量以上の場合に取得されたデータ数をカウントし、当該データ数が一定数以上であるか否かを判定する。本実施形態では、図５Ｂの曲線Ｔよりも大きな吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータ数をカウントする。すなわち、曲線Ｔは、油圧ポンプの所定の仕事量（ＰＱ）を示す曲線である。ここで、油圧ポンプの駆動源（エンジン４２）の所定負荷とは、例えば、駆動源の最大負荷の８０％以上をいい、より好ましくは９０％以上をいう。油圧ポンプの所定の仕事量とは、油圧ポンプの最大仕事量の８０％以上をいい、より好ましくは９０％以上をいう。

データ記憶部５２に一定数以上のデータが保存されていると判定された場合、圧力センサ５１１及び流量センサ５１２によって取得された吐出圧Ｐ及び吐出流量ＱのデータをＰＱ特性図に配置し、式（１）に基づいて異常度Ａｎｏｍを計算する（ステップＳ４）。

一方、データ記憶部５２に一定数以上のデータが保存されていないと判定された場合、油圧ポンプの駆動源（エンジン４２）の負荷が所定負荷以上又は油圧ポンプの仕事量が所定の仕事量以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。油圧ポンプの駆動源（エンジン４２）の負荷が所定負荷以上又は油圧ポンプの仕事量が所定の仕事量以上である場合、データ記憶部５２に、ステップＳ２で取得した吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータを追加する（ステップＳ８）。油圧ポンプの駆動源（エンジン４２）の負荷が所定負荷以上でなく、且つ油圧ポンプの仕事量が所定の仕事量以上ではない場合、ステップＳ２に戻り、吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータを繰り返し取得する。

ステップＳ４の後、次いで、計算された異常度Ａｎｏｍが閾値を超えている否かを判定する（ステップＳ５）。異常度Ａｎｏｍが閾値を超えていれば、油圧ポンプに異常が発生していると判定する（ステップＳ６）。異常度Ａｎｏｍが閾値を超えていなければ、データ記憶部５２のデータをリセットする（ステップＳ９）。

なお、前述の実施形態では、油圧ポンプの駆動源の負荷が所定負荷以上又は油圧ポンプの仕事量が所定の仕事量以上の場合に取得された吐出圧Ｐ及び吐出流量Ｑのデータのみを用いて異常度Ａｎｏｍを計算しているが、全てのデータを用いて異常度Ａｎｏｍを計算するようにしてもよい。このとき、ステップＳ３の判定は不要となり、ステップＳ７及びステップＳ８も不要である。

［他の実施形態］
データ取得部５１は、吐出圧Ｐに相当する値として油圧シリンダの圧力Ｐｃを使用し、吐出流量Ｑに相当する値として油圧シリンダの流量Ｑｃを使用してもよい。データ取得部５１は、油圧シリンダの圧力Ｐｃ及び流量Ｑｃのデータを繰り返し取得する。この場合、図７に示すように、データ取得部５１は、油圧シリンダの圧力Ｐｃを計測する圧力センサ５１３、油圧シリンダの流量Ｑｃを計算する流量計算部５１４を備えている。

流量計算部５１４は、油圧シリンダのシリンダ断面積ｓ及びシリンダ伸長速度Δｘから油圧シリンダの流量Ｑｃを計算する。例えば、図８のようにＡ，Ｂ，Ｃを定めると、ブームシリンダ３１ａの長さｘ、ブーム３１のブーム角θは、下記の式（２）を満たす。図８において、符号Ａは、旋回装置４に対するブーム３１の回転軸（ブーム３１が旋回装置４に支持されている部分）から、ブーム３１とブームシリンダ３１ａとの接続部までの直線距離を示す。符号Ｂ，Ｃは、それぞれ、ブームシリンダ３１ａと旋回装置４との接続部から上記回転軸までの上下方向の直線距離、及び前後方向の直線距離を示す。

すなわち、ブームシリンダ３１ａの長さｘは、ブーム３１のブーム角θによって定まる。よって、ブーム３１の一端部に設けられた不図示の角度センサによりブーム３１のブーム角θを計測し、式（２）を用いることでブームシリンダ３１ａの長さｘを計算できる。ブームシリンダ３１ａの長さｘから得られる伸長速度Δｘをシリンダ断面積ｓに掛けることで油圧シリンダの流量Ｑｃを計算できる。

この構成によれば、油圧シリンダの流量Ｑｃを計測するために一般的に高額の流量センサを設ける必要がない。よって、コストの低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。

１バックホー
３作業装置
５ポンプ異常検知システム
３１ブーム
３１ａブームシリンダ
３２アーム
３２ａアームシリンダ
３３バケット
３３ａバケットシリンダ
４２エンジン
５１データ取得部
５３異常度計算部
５４異常判定部
５１１圧力センサ
５１２流量センサ
５１３圧力センサ
５１４流量計算部

Claims

作業部を有する作業車両であって、
前記作業部を駆動する油圧アクチュエータと、
前記油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプと、
前記作業部の駆動時において、前記油圧ポンプの吐出圧及び吐出流量のデータを繰り返し取得するデータ取得部と、
前記油圧ポンプが正常に駆動している正常時の吐出圧及び吐出流量のデータを記憶している記憶部と、
前記データ取得部によって取得された吐出圧及び吐出流量のデータをＰＱ特性図に配置して得られる、前記油圧ポンプの最大出力を示すＰＱ特性曲線近傍の予め定められた領域のデータの集中度合を示すデータ密度が、前記正常時の吐出圧及び吐出流量のデータから得られる前記領域の前記データ密度と一定以上異なると判断される場合に、前記油圧ポンプに異常が発生していると判定する異常判定部と、を備える、作業車両。
前記２つのデータ密度が一定以上異なるか否かは、前記正常時の吐出圧及び吐出流量のデータから得られる密度分布と、前記データ取得部で取得された吐出圧及び吐出流量のデータから得られる密度分布とを用いて求められる異常度と、予め定められた閾値とを比較して判断される、請求項１に記載の作業車両。
前記油圧アクチュエータは、油圧シリンダを含み、
前記データ取得部は、前記吐出圧に相当する値として前記油圧シリンダの圧力を使用し、前記吐出流量に相当する値として前記油圧シリンダの流量を使用する、請求項１又は２に記載の作業車両。
前記異常判定部は、前記データ取得部によって取得された吐出圧及び吐出流量のデータのうち、前記油圧ポンプの駆動源の負荷が所定負荷以上又は前記油圧ポンプの仕事量が所定の仕事量以上の場合に取得されたデータを、前記油圧ポンプの異常発生の判定に使用する、請求項１から３のいずれか１項に記載の作業車両。