JP5968189B2 - Excavator management apparatus and excavator management method - Google Patents
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Description
本発明は、ショベルの部品の寿命を算出するショベル管理装置及びショベル管理方法に関する。 The present invention relates to an excavator management apparatus and an excavator management method for calculating the life of a shovel part.
ショベルの部品の寿命を予測するために、有限要素法による応力解析が広く用いられている。特許文献1に開示された解析方法では、有限要素法で用いられる荷重条件や境界条件がキー入力される。この荷重条件及び境界条件の下で、応力解析を行うことにより、応力範囲を求める。求められた応力範囲をS−N線図に当てはめ、疲労推定寿命を求める。 Stress analysis by the finite element method is widely used to predict the life of excavator parts. In the analysis method disclosed in Patent Document 1, load conditions and boundary conditions used in the finite element method are keyed. The stress range is obtained by performing stress analysis under the load condition and the boundary condition. The obtained stress range is applied to the SN diagram, and the estimated fatigue life is obtained.
応力解析を行う際の荷重条件や境界条件が、実際の稼働状態における条件と異なる場合には、精度の高い寿命予測を行うことが困難である。 When load conditions and boundary conditions for performing stress analysis are different from conditions in an actual operating state, it is difficult to perform life prediction with high accuracy.
本発明の一観点によると、
ショベルの作動状態を検出する複数のセンサ、から検出結果が入力される入力装置と、
前記入力装置を通して入力された前記センサの検出結果を、解析モデルを用いて解析することにより、前記ショベルの部品に加わる応力を算出する処理装置と
を有し、
前記複数のセンサは、前記ショベルの上部旋回体に連結されたアタッチメントの上面、底面、及び2つの側面に配置された応力センサを含み、
前記処理装置は、前記応力センサの検出結果の時間変化から、前記アタッチメントに加わる応力の時間変化を算出し、
応力の時間変化の算出結果に基づいて、前記アタッチメントの寿命を求めるショベル管理装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
An input device that receives detection results from a plurality of sensors that detect the operating state of the excavator;
A processing device that calculates the stress applied to the parts of the excavator by analyzing the detection result of the sensor input through the input device using an analysis model;
The plurality of sensors includes a stress sensor disposed on an upper surface, a bottom surface, and two side surfaces of an attachment connected to the upper swing body of the excavator,
The processing device calculates a time change of stress applied to the attachment from a time change of a detection result of the stress sensor,
There is provided an excavator management device for obtaining a lifetime of the attachment based on a calculation result of a time change of stress.
本発明の他の観点によると、
(a)ショベルの上部旋回体に連結されたアタッチメントの上面、底面、及び2つの側面に配置された応力センサを含み、作動状態を検出する複数のセンサを搭載したショベルの前記センサから検出結果の時間変動を取得する工程と、
(b)前記応力センサから取得された複数の時刻の前記検出結果を、解析モデルを用いた解析に適用して、前記アタッチメントに加わる応力を算出することにより、応力の時間変化を得る工程と、
(c)前記応力の時間変化に基づいて、前記アタッチメントの寿命を求めるショベル管理方法が提供される。
According to another aspect of the invention,
(A) The detection result of the sensor of the shovel equipped with a plurality of sensors for detecting the operation state, including stress sensors arranged on the upper surface, the bottom surface, and the two side surfaces of the attachment connected to the upper swing body of the shovel. Acquiring time variation;
(B) applying the detection results at a plurality of times acquired from the stress sensor to an analysis using an analysis model, and calculating a stress applied to the attachment, thereby obtaining a time change in stress;
(C) A shovel management method for obtaining the lifetime of the attachment based on the time change of the stress is provided.
ショベルに取り付けられたセンサの検出結果に基づいて、応力の時間変化を求めるため、部品寿命の予測精度を高めることができる。 Since the time change of stress is obtained based on the detection result of the sensor attached to the excavator, it is possible to improve the accuracy of component life prediction.
[実施例1]
図1Aに、実施例1によるショベル管理装置で管理の対象となるショベルの側面図を示す。下部走行体20に、上部旋回体21が搭載されている。上部旋回体21にブーム23が連結され、ブーム23にアーム25が連結され、アーム25にバケット27が連結されている。ブームシリンダ24の伸縮により、ブーム23の姿勢が変化する。アームシリンダ26の伸縮により、アーム25の姿勢が変化する。バケットシリンダ28の伸縮によって、バケット27の姿勢が変化する。ブームシリンダ24、アームシリンダ26、及びバケットシリンダ28は、油圧駆動される。ブーム23、アーム25、及びバケット27によりアタッチメントが構成される。
[Example 1]
FIG. 1A shows a side view of a shovel to be managed by the shovel management apparatus according to the first embodiment. An upper turning body 21 is mounted on the lower traveling body 20. A boom 23 is connected to the upper swing body 21, an arm 25 is connected to the boom 23, and a bucket 27 is connected to the arm 25. As the boom cylinder 24 expands and contracts, the posture of the boom 23 changes. As the arm cylinder 26 expands and contracts, the posture of the arm 25 changes. The posture of the bucket 27 changes due to the expansion and contraction of the bucket cylinder 28. The boom cylinder 24, the arm cylinder 26, and the bucket cylinder 28 are hydraulically driven. An attachment is constituted by the boom 23, the arm 25, and the bucket 27.
アタッチメントの姿勢センサとして、ブーム角度センサ、アーム角度センサ、バケット角度センサが備えられている。アタッチメントの荷重センサとして、ブームシリンダ24のシリンダ内の油圧(シリンダ圧力)を測定するブーム用圧力センサ、アームシリンダ26のシリンダ圧力を測定するアーム用圧力センサ、バケットシリンダ28のシリンダ圧力を測定するバケット用圧力センサが備えられている。なお、アタッチメントの姿勢センサとして、角度センサの代わりに、シリンダの伸縮量を測定する変位センサを用いることもできる。 As an attachment attitude sensor, a boom angle sensor, an arm angle sensor, and a bucket angle sensor are provided. As an attachment load sensor, a boom pressure sensor that measures the hydraulic pressure (cylinder pressure) in the cylinder of the boom cylinder 24, an arm pressure sensor that measures the cylinder pressure of the arm cylinder 26, and a bucket that measures the cylinder pressure of the bucket cylinder 28. A pressure sensor is provided. Note that a displacement sensor that measures the amount of expansion and contraction of the cylinder can be used as the attachment attitude sensor instead of the angle sensor.
図1Bに、実施例1によるショベル管理装置で管理の対象となるショベルの平面図を示す。旋回モータ34が、下部走行体20に対して上部旋回体21を旋回させる。旋回モータ34には、電動モータまたは油圧モータが用いられる。旋回角センサ35が、旋回モータ34の回転軸の回転角を測定する。旋回角センサ35には、例えばレゾルバが用いられる。旋回角センサ35の測定結果に基づいて、上部旋回体21の旋回角θを算出することができる。ここで、旋回角θは、ブーム23等が下部走行体20の前方を向く姿勢を基準として、上部旋回体21が旋回した角度を意味する。なお、上部旋回体21の旋回動作に関わる物理量を測定するセンサとして、旋回角センサの代わりに加速度センサを用いることもできる。 FIG. 1B is a plan view of an excavator to be managed by the excavator management apparatus according to the first embodiment. The turning motor 34 turns the upper turning body 21 with respect to the lower traveling body 20. As the turning motor 34, an electric motor or a hydraulic motor is used. The turning angle sensor 35 measures the rotation angle of the rotation shaft of the turning motor 34. For the turning angle sensor 35, for example, a resolver is used. Based on the measurement result of the turning angle sensor 35, the turning angle θ of the upper turning body 21 can be calculated. Here, the turning angle θ means an angle at which the upper turning body 21 turns with reference to the posture in which the boom 23 or the like faces the front of the lower traveling body 20. Note that an acceleration sensor may be used instead of the turning angle sensor as a sensor for measuring a physical quantity related to the turning motion of the upper turning body 21.
図2に、実施例1によるショベル管理装置40のブロック図、及び管理対象であるショベル50の概略図を示す。ショベル管理装置40は、入力装置41、処理装置42、記憶
装置43、及び出力装置44を含む。入力装置41は、通信網51を介して、管理対象であるショベル50から送信されたデータを受信する。
FIG. 2 shows a block diagram of the excavator management device 40 according to the first embodiment and a schematic diagram of the excavator 50 to be managed. The excavator management device 40 includes an input device 41, a processing device 42, a storage device 43, and an output device 44. The input device 41 receives data transmitted from the shovel 50 that is a management target via the communication network 51.
アタッチメントの荷重センサで測定された各油圧シリンダ内の油圧、アタッチメントの姿勢センサで測定された角度、及び旋回角センサ35(図1B)で測定された旋回角θが、入力装置41を介して処理装置42に入力される。荷重センサ、姿勢センサ、旋回角センサ35の測定値により、アタッチメントの姿勢、アタッチメントに加わる荷重が特定される。出力装置44は、処理装置42の処理結果を表示する。入力装置41は、オペレータが処理装置42にコマンドを入力するためにも用いられる。入力装置41は、キーボード、通信装置等を含む。記憶装置43は、処理装置42が実行するコンピュータプログラム、及び処理に用いられる種々のデータを記憶する。 The hydraulic pressure in each hydraulic cylinder measured by the load sensor of the attachment, the angle measured by the attitude sensor of the attachment, and the turning angle θ measured by the turning angle sensor 35 (FIG. 1B) are processed via the input device 41. Input to the device 42. Based on the measurement values of the load sensor, the posture sensor, and the turning angle sensor 35, the posture of the attachment and the load applied to the attachment are specified. The output device 44 displays the processing result of the processing device 42. The input device 41 is also used for an operator to input a command to the processing device 42. The input device 41 includes a keyboard, a communication device, and the like. The storage device 43 stores a computer program executed by the processing device 42 and various data used for processing.
図3に、実施例1によるショベル管理方法のフローチャートを示す。まず、ステップS1において、処理装置42が、ショベル50による作業中に、繰り返される一連の動作の少なくとも1周期分の測定値を、アタッチメントの姿勢センサ、アタッチメントの荷重センサ、及び旋回角センサ35(図1B)から取得する。旋回角センサ35から、上部旋回体21の旋回角θ(図1B)が取得される。アタッチメントの姿勢センサ及び旋回角センサ35の検出値によって、ショベルの姿勢が特定される。一連の動作のうち、アタッチメントの姿勢センサ、アタッチメントの荷重センサ、及び旋回角センサ35で測定値を取得する範囲は、操作者が設定してもよい。 FIG. 3 shows a flowchart of the excavator management method according to the first embodiment. First, in step S1, the processing device 42 obtains measured values for at least one cycle of a series of repeated operations during work by the excavator 50, the attachment attitude sensor, the attachment load sensor, and the turning angle sensor 35 (see FIG. 1B). From the turning angle sensor 35, the turning angle θ (FIG. 1B) of the upper turning body 21 is acquired. The attitude of the shovel is specified by the detected values of the attachment attitude sensor and the turning angle sensor 35. Of the series of operations, an operator may set a range in which measurement values are acquired by the attachment attitude sensor, the attachment load sensor, and the turning angle sensor 35.
図4A〜図4Dに、ショベル50で繰り返される一連の動作の一例を示す。図4A〜図4Dは、それぞれ一連の動作の1周期内の各工程、具体的には掘削開始、持ち上げ旋回、排土、戻り旋回の各工程中の任意の時点におけるショベル50の姿勢を概略的に示す。ショベルの運転時には、例えば、一連の動作が繰り返されることにより、図4A〜図4Dに示した姿勢が順番に出現する。 4A to 4D show an example of a series of operations repeated in the excavator 50. FIG. 4A to 4D schematically illustrate the posture of the excavator 50 at any point in each step within one cycle of a series of operations, specifically, excavation start, lifting swivel, soil removal, and return swirl steps. Shown in At the time of driving the shovel, for example, the postures shown in FIGS. 4A to 4D appear in order by repeating a series of operations.
図5A〜図5Cに、それぞれショベルの動作中におけるブームシリンダ24(図1A)内の油圧、アーム25(図1A)の先端の高さ、及び旋回角度の時間波形(時間変化)の一例を示す。図5Aに示した実線L1及びL2は、それぞれブームシリンダ24内のロッド側油圧及びボトム側油圧を示す。図5A〜図5Cにおいて、時刻t1は、図4Aに示した掘削開始に対応する。時刻t1からt2までの期間に、掘削が行われる。時刻t2からt3までの期間に、図4Bに示したブームの持ち上げ及び旋回の動作が行われる。時刻t3からt4までの期間に、図4Cに示した排土及び戻り旋回の動作が行われる。一連の動作の繰返しに対応して、時刻t1からt4までの波形と近似する波形が周期的に現れる。 FIGS. 5A to 5C show examples of time waveforms (time changes) of the hydraulic pressure in the boom cylinder 24 (FIG. 1A), the height of the tip of the arm 25 (FIG. 1A), and the turning angle during the operation of the shovel, respectively. . Solid lines L1 and L2 shown in FIG. 5A indicate the rod-side hydraulic pressure and the bottom-side hydraulic pressure in the boom cylinder 24, respectively. 5A to 5C, time t1 corresponds to the excavation start shown in FIG. 4A. Excavation is performed during a period from time t1 to t2. During the period from time t2 to t3, the boom lifting and turning operations shown in FIG. 4B are performed. During the period from time t3 to t4, the soil removal and return turning operations shown in FIG. 4C are performed. Corresponding to the repetition of a series of operations, a waveform that approximates the waveform from time t1 to t4 appears periodically.
図3に示したステップS2において、一連の動作の1周期内で、解析すべき複数の時刻(以下、「解析時刻」という。)を抽出する。一例として、図5Aに示したように、1周期内から、時刻t1〜t4の4個の解析時刻が抽出される。例えば、シリンダ内の油圧、旋回角度の時間波形のピーク、変曲点等の特徴的な時刻を、解析時刻として抽出する。抽出する解析時刻の個数を多くすると、解析精度が向上するが、解析に要する計算時間は長くなる。処理装置42(図2)が、図5A〜図5Cに示した時間波形に基づいて解析時刻を自動的に抽出するようにしてもよいし、オペレータが時間波形を観察して解析時刻を決定し、入力装置41から解析時刻を入力するようにしてもよい。 In step S2 shown in FIG. 3, a plurality of times to be analyzed (hereinafter referred to as “analysis time”) are extracted within one cycle of a series of operations. As an example, as shown in FIG. 5A, four analysis times of times t1 to t4 are extracted from one cycle. For example, characteristic times such as the hydraulic pressure in the cylinder, the peak of the time waveform of the turning angle, and the inflection point are extracted as the analysis time. If the number of analysis times to be extracted is increased, the analysis accuracy is improved, but the calculation time required for the analysis is increased. The processing device 42 (FIG. 2) may automatically extract the analysis time based on the time waveforms shown in FIGS. 5A to 5C, or the operator may determine the analysis time by observing the time waveform. The analysis time may be input from the input device 41.
図3に示したステップS3において、解析時刻の各々において、解析モデルを用い、ブーム、アーム等の部品の各々に加わっている応力の分布を算出する。応力の分布は、解析時刻ごとに決定されているショベルの特定の姿勢に基づいて計算される。すなわち、繰り返される一連の動作の1周期内に現れる種々のショベルの姿勢ごとに、ショベルの部品に加わっている荷重に基づいて、応力の分布を算出する。応力の分布の算出には、例えば有
限要素法等の数値解析手法を適用することができる。このとき、ショベルの姿勢及びショベルの部品に加わる荷重が境界条件として用いられる。ここで、荷重はベクトルで表される。荷重の大きさ及び向きは、油圧シリンダ内の油圧、油圧シリンダの軸方向(アタッチメントの姿勢)、及び旋回角加速度により求まる。旋回角加速度は、旋回角θ(図1B)を2回微分することにより算出される。
In step S3 shown in FIG. 3, at each analysis time, the distribution of stress applied to each component such as a boom and an arm is calculated using the analysis model. The stress distribution is calculated based on the specific posture of the excavator determined at each analysis time. That is, the distribution of stress is calculated based on the load applied to the parts of the shovel for each position of the various shovels that appear within one cycle of a series of repeated operations. For the calculation of the stress distribution, for example, a numerical analysis method such as a finite element method can be applied. At this time, the posture applied to the shovel and the load applied to the parts of the shovel are used as boundary conditions. Here, the load is represented by a vector. The magnitude and direction of the load are determined by the hydraulic pressure in the hydraulic cylinder, the axial direction of the hydraulic cylinder (attachment posture), and the turning angular acceleration. The turning angular acceleration is calculated by differentiating the turning angle θ (FIG. 1B) twice.
図6に、ある解析時刻におけるブーム23内の一部分の応力分布の算出結果を示す。応力は、解析モデルの各要素を構成する節点ごとに算出される。図6において、応力が相対的に大きな箇所が、相対的に濃い色で示されている。図6に示したような応力分布の解析結果が、解析時刻ごとに、かつ部品ごとに算出される。 FIG. 6 shows the calculation result of the stress distribution of a part in the boom 23 at a certain analysis time. The stress is calculated for each node constituting each element of the analysis model. In FIG. 6, locations where the stress is relatively large are shown in a relatively dark color. The analysis result of the stress distribution as shown in FIG. 6 is calculated for each analysis time and for each part.
図7に、ショベルの部品の評価箇所Ep(図6)に加わる応力の時間波形を示す。解析時刻t1〜t4の各々において応力が算出されている。図7に示した応力の時間波形は、ブーム23、アーム25、バケット27等の部品ごとに、複数の評価箇所(有限要素法を用いた場合には、複数の節点)について求められる。 In FIG. 7, the time waveform of the stress added to the evaluation location Ep (FIG. 6) of the parts of the excavator is shown. The stress is calculated at each of the analysis times t1 to t4. The time waveform of the stress shown in FIG. 7 is obtained for a plurality of evaluation points (a plurality of nodes when the finite element method is used) for each component such as the boom 23, the arm 25, and the bucket 27.
図3に示したステップS4において、各部品の評価箇所ごとに、累積損傷度を算出する。これにより、部品内における累積損傷度の分布が得られる。累積損傷度は、応力の時間変化から抽出される応力の極値に基づいて算出される。ここで、「累積損傷度」とは、繰り返される一連の動作中に受ける損傷を、1周期の期間にわたって累積したものである。以下、累積損傷度を算出する方法の一例について説明する。まず、図7に示した応力の時間波形の極大値と極小値とを検出する。極大値と極小値とに基づいて、応力が変動する範囲である応力範囲Δσを求めるとともに、応力範囲Δσごとの出現頻度を求める。応力範囲Δσiの出現頻度をniで表す。 In step S4 shown in FIG. 3, the cumulative damage degree is calculated for each evaluation point of each part. Thereby, the distribution of the cumulative damage degree in the part is obtained. The cumulative damage degree is calculated based on the extreme value of the stress extracted from the time change of the stress. Here, the “accumulated damage degree” is obtained by accumulating damage received during a series of repeated operations over a period of one cycle. Hereinafter, an example of a method for calculating the cumulative damage degree will be described. First, the maximum value and the minimum value of the time waveform of stress shown in FIG. 7 are detected. Based on the maximum value and the minimum value, a stress range Δσ that is a range in which the stress fluctuates is obtained, and an appearance frequency for each stress range Δσ is obtained. The appearance frequency of the stress range Δσi is represented by ni.
図8に、S−N線図の一例を示す。例えば、図8に示したS−N線図では、応力範囲Δσiの疲労寿命(破断繰返し回数)がNi回である。累積疲労損傷則(別名、線形被害則)により、累積損傷度Dは、以下の式で表される。
図9に、ブーム23内の一部分の累積損傷度Dの分布の一例を示す。図9において、累積損傷度Dが相対的に大きな領域を、相対的に濃い色で示す。累積損傷度Dが1以上になった時点で疲労破壊が生じる。累積損傷度D及び稼働状況(サンプリングした周期分の時間)から、疲労寿命を求めることができる。 FIG. 9 shows an example of the distribution of the cumulative damage degree D in a part of the boom 23. In FIG. 9, a region where the cumulative damage degree D is relatively large is indicated by a relatively dark color. Fatigue failure occurs when the cumulative damage degree D becomes 1 or more. The fatigue life can be obtained from the cumulative damage degree D and the operation status (time corresponding to the sampled period).
図3に示したステップS5において、部品の寿命を算出する。ステップS4で求められた累積損傷度Dが最大を示す評価箇所の疲労寿命が、部品の寿命となる。ステップS6において、評価結果を出力する。例えば、処理装置42(図2)は、図9に示した累積損傷度Dの分布、及び部品の寿命を、出力装置44(図2)に表示する。 In step S5 shown in FIG. 3, the lifetime of the component is calculated. The fatigue life of the evaluation portion where the cumulative damage degree D obtained in step S4 is the maximum is the life of the component. In step S6, the evaluation result is output. For example, the processing device 42 (FIG. 2) displays the distribution of the cumulative damage degree D shown in FIG. 9 and the life of the parts on the output device 44 (FIG. 2).
図3に示したステップS7において、評価結果が基準条件を満たすか否かを判定する。一例として、予め決められている寿命に対して短い寿命が算出されているときは、負荷が大きいと判断し、ステップS8において警告を発出する。評価結果が基準条件を満たす場合には、処理を終了する。 In step S7 shown in FIG. 3, it is determined whether or not the evaluation result satisfies the reference condition. As an example, when a short life is calculated with respect to a predetermined life, it is determined that the load is large, and a warning is issued in step S8. If the evaluation result satisfies the standard condition, the process is terminated.
保守点検者は、累積損傷度Dの分布に基づき、次回の点検時に特に重点的に点検を行う
べき箇所を抽出することができる。また、警告が発出された場合には、部品交換の準備を始めることができる。ショベルの設計者は、累積損傷度Dの分布に基づき、機械的強度を高めるべき箇所を抽出することができる。
Based on the distribution of the cumulative damage degree D, the maintenance inspector can extract a portion that should be inspected particularly at the next inspection. When a warning is issued, preparation for parts replacement can be started. The excavator designer can extract a portion where the mechanical strength should be increased based on the distribution of the cumulative damage degree D.
実施例1においては、ショベルの実際の動作時に収集されたアタッチメントの姿勢、アタッチメントに加わる荷重、旋回角に基づいて、数値解析モデルを用いた応力解析を行い、予測寿命が算出される。このため、寿命の予測精度を高めることができる。さらに、ショベルの所有者及びオペレータは、ショベルの部品のダメージを軽減する操作方法を把握し、学習することができる。その結果、ショベルの長寿命化を実現することができる。ショベルの設計者にとっては、負荷状況及び稼働状況を取得することができる。 In the first embodiment, stress analysis using a numerical analysis model is performed based on the posture of the attachment collected during the actual operation of the excavator, the load applied to the attachment, and the turning angle, and the predicted life is calculated. For this reason, the prediction precision of a lifetime can be improved. Furthermore, the excavator owner and the operator can grasp and learn an operation method for reducing damage to the excavator parts. As a result, the life of the shovel can be extended. For the shovel designer, the load status and operating status can be obtained.
累積損傷度の算出値(1周期分の値)を、現時点までに動作した全周期にわたって合計した値と、疲労破壊を示す値である1との差が、現時点から疲労破壊が生じるまでの残存する累積損傷度に相当する。このことを利用して、残存する累積損傷度と現時点までの稼働時間とから、余寿命を求めることができる。求められた余寿命が、予め定められた基準値を下回ると、出力装置44(図2)に余寿命を表示するとともに、疲労破壊が生じる可能性がある部位のメンテナンスを促す表示を行うことも可能である。 The difference between the calculated cumulative damage value (the value for one cycle) over the entire cycle that has been operated up to the present time and 1 that indicates fatigue failure is the remaining time from the current time until fatigue failure occurs. This corresponds to the cumulative damage level. Using this fact, the remaining life can be obtained from the remaining cumulative damage degree and the operation time up to the present time. When the obtained remaining life falls below a predetermined reference value, the remaining life is displayed on the output device 44 (FIG. 2), and a display prompting maintenance of a portion where fatigue failure may occur may be performed. Is possible.
[実施例2]
次に、図10を参照して、実施例2によるショベル管理方法について説明する。以下、実施例1との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例1においては、図3に示したステップS2において、姿勢センサ、荷重センサの検出値の時間波形に基づいて、解析時刻を抽出した。実施例2においては、応力を測定した結果に基づいて、解析時刻を抽出する。
[Example 2]
Next, an excavator management method according to the second embodiment will be described with reference to FIG. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described, and description of the same configuration will be omitted. In Example 1, in step S2 shown in FIG. 3, the analysis time was extracted based on the time waveform of the detected values of the posture sensor and the load sensor. In the second embodiment, the analysis time is extracted based on the result of measuring the stress.
図10に、ショベルのブーム23の斜視図を示す。ブーム23に、複数の応力センサ37が取り付けられている。応力センサ37として、例えば歪ゲージを用いることができる。ブーム23は、主として上面、底面、及び側面で構成される。応力センサ37は、例えば、ブーム23の基部と中央部との中間点の近傍、及び先端と中央部との中間点の近傍のそれぞれの、上面、底面、及び2つの側面に取り付けられる。 FIG. 10 is a perspective view of the shovel boom 23. A plurality of stress sensors 37 are attached to the boom 23. For example, a strain gauge can be used as the stress sensor 37. The boom 23 is mainly composed of an upper surface, a bottom surface, and side surfaces. The stress sensor 37 is attached to, for example, the upper surface, the bottom surface, and the two side surfaces in the vicinity of the intermediate point between the base portion and the central portion of the boom 23 and in the vicinity of the intermediate point between the distal end and the central portion.
実施例2では、図3に示したステップS1において、アタッチメントの姿勢等を示す物理量の他に、応力センサ37による歪の検出値が取得される。これにより、圧力センサの検出値を換算して応力を求めるのではなく、応力センサ37により、応力を直接検出することで、検出した応力から解析時刻を決定する。また、予め設定された複数の荷重条件ごとに、図6に示したような応力分布が算出され、応力分布の複数の算出結果が、応力分布参照表として準備されている。応力センサによる応力の検出値を、応力分布参照表に記憶されている複数の応力分布の、応力センサ取り付け位置に対応する節点の応力の算出値と比較する。応力分布参照表に記憶されている複数の応力分布の中から、両者が近似している応力分布を選択する。決定された解析時刻ごとに、応力分布参照表の中から近似する応力分布を選択し、疲労寿命を求めることができる。 In the second embodiment, in step S <b> 1 illustrated in FIG. 3, in addition to the physical quantity indicating the attachment posture and the like, a strain detection value by the stress sensor 37 is acquired. Thereby, instead of obtaining the stress by converting the detection value of the pressure sensor, the stress is directly detected by the stress sensor 37, and the analysis time is determined from the detected stress. Further, a stress distribution as shown in FIG. 6 is calculated for each of a plurality of preset load conditions, and a plurality of calculation results of the stress distribution are prepared as a stress distribution reference table. The detected value of the stress by the stress sensor is compared with the calculated value of the stress at the node corresponding to the stress sensor mounting position in the plurality of stress distributions stored in the stress distribution reference table. A stress distribution in which both are approximated is selected from a plurality of stress distributions stored in the stress distribution reference table. For each determined analysis time, an approximate stress distribution is selected from the stress distribution reference table, and the fatigue life can be obtained.
以下、解析時刻の決定方法を、より詳細に説明する。ショベルの一連の動作中に、応力センサ37によって歪を検出する。検出された歪に基づいて、一連の動作の1周期分の応力の時間波形を求める。応力の時間波形の極大値及び極小値に着目して、応力が極大値及び極小値を示す複数の時刻から解析時刻を抽出する。 Hereinafter, the analysis time determination method will be described in more detail. The strain is detected by the stress sensor 37 during a series of operations of the shovel. Based on the detected strain, a time waveform of stress for one cycle of a series of operations is obtained. Paying attention to the maximum value and the minimum value of the stress time waveform, the analysis time is extracted from a plurality of times when the stress shows the maximum value and the minimum value.
1つの評価対象のショベルを用いて、解析対象となる複数の姿勢が決定されると、他のショベルの評価時に、評価対象のショベルに応力センサを取り付ける必要はない。また、解析時刻t1〜t4を抽出するために、応力センサを取り付けてデータ収集を行なったシ
ョベルについても、解析時刻が決定された後は、応力センサを取り外してもよい。
When a plurality of postures to be analyzed are determined using one evaluation target shovel, it is not necessary to attach a stress sensor to the evaluation target shovel when evaluating another shovel. Moreover, in order to extract the analysis times t1 to t4, the stress sensor may be removed after the analysis time is determined for the excavator in which the stress sensor is attached and the data is collected.
上記実施例1及び実施例2では、ショベル50とショベル管理装置40(図2)との間で、通信網51を介してデータ通信を行なったが、ショベル管理装置40をショベル50に搭載してもよい。この場合には、ショベルに取り付けられたアタッチメントの姿勢センサ、荷重センサ、旋回角センサ35で測定された測定値は、通信網51を介することなく、入力装置41を介して処理装置42に入力される。 In the first embodiment and the second embodiment, data communication is performed between the excavator 50 and the excavator management device 40 (FIG. 2) via the communication network 51. However, the excavator management device 40 is mounted on the excavator 50. Also good. In this case, the measurement values measured by the attachment attitude sensor, load sensor, and turning angle sensor 35 attached to the excavator are input to the processing device 42 via the input device 41 without passing through the communication network 51. The
応力は、疲労寿命の予測に直接関わるパラメータである。実施例2では、上述のように、疲労寿命を予測するにあたり、応力センサにより直接測定した応力の検出値を用いて応力分布が求められる。このため、応力分布の算出の精度を高めることができる。その結果、疲労寿命の予測精度を高めることが可能になる。 Stress is a parameter directly related to fatigue life prediction. In the second embodiment, as described above, when the fatigue life is predicted, the stress distribution is obtained using the detected value of the stress directly measured by the stress sensor. For this reason, the accuracy of calculation of the stress distribution can be increased. As a result, the fatigue life prediction accuracy can be increased.
[実施例3]
図11を参照して、実施例3によるショベル管理装置で実行される部品の寿命の算出方法について説明する。以下、実施例1との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
[Example 3]
With reference to FIG. 11, a method for calculating the lifetime of a part executed by the shovel management apparatus according to the third embodiment will be described. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described, and description of the same configuration will be omitted.
記憶装置43(図2)に、掘削作業時におけるショベルの代表的な姿勢A1、A2、A3、・・・と、標準荷重B1、B2、B3、・・・と、標準応力C1、C2、C3、・・・との対応表45が、予め記憶されている。代表的な姿勢には、例えば図4A〜図4Dに示した、掘削開始、持上旋回、排土、戻り旋回等の解析時刻における姿勢が含まれる。1つの解析時刻である掘削開始時の姿勢には、基体から掘削箇所までの距離、掘削箇所の深さ等に依存して、複数の姿勢が含まれている。同様に、持上旋回、排土、戻り旋回時の代表的な姿勢にも、複数の姿勢が含まれる。 In the storage device 43 (FIG. 2), excavator typical postures A1, A2, A3,..., Standard loads B1, B2, B3,..., And standard stresses C1, C2, C3 are stored. ,... Are stored in advance. The representative postures include postures at the analysis time such as excavation start, lifting swivel, earth removal, and return swirl shown in FIGS. 4A to 4D, for example. The posture at the start of excavation, which is one analysis time, includes a plurality of postures depending on the distance from the base to the excavation site, the depth of the excavation site, and the like. Similarly, a plurality of postures are also included in the representative postures at the time of lifting, earth removal, and return turning.
代表的な姿勢の各々に対応する標準荷重として、複数の荷重センサのうち1つの荷重センサによって測定される荷重が採用される。標準荷重の値として、例えば、掘削作業時に、ショベルがその代表的な姿勢をとったときに発生する最も一般的な荷重が採用される。代表的な姿勢の各々に対応する標準応力は、ショベルがその代表的な姿勢をとり、アタッチメントに標準荷重が印加されているときに、部品に加わる応力を意味する。標準応力は、複数の評価箇所Ep(図6)において定義されている。また、標準応力の値は、例えば、実施例1で説明した有限要素法等の解析手法を用いて、予め算出されている。 As a standard load corresponding to each representative posture, a load measured by one load sensor among a plurality of load sensors is employed. As the value of the standard load, for example, the most common load that is generated when the excavator takes a representative posture during excavation work is adopted. The standard stress corresponding to each of the representative postures means the stress applied to the component when the shovel takes the representative posture and a standard load is applied to the attachment. The standard stress is defined at a plurality of evaluation points Ep (FIG. 6). The standard stress value is calculated in advance using, for example, an analysis method such as the finite element method described in the first embodiment.
実施例1の図3に示したステップS1と同様に、姿勢センサ及び荷重センサによって、繰り返される一連の動作の少なくとも1周期分の測定値を取得する。解析時刻において、姿勢センサによって取得された姿勢と、対応表45に記憶されている代表的な姿勢とを比較し、最も近似する代表的な姿勢を抽出する。一例として、姿勢A2が抽出される。 Similar to step S1 shown in FIG. 3 of the first embodiment, the posture sensor and the load sensor obtain measurement values for at least one cycle of a series of repeated operations. At the analysis time, the posture acquired by the posture sensor and the representative posture stored in the correspondence table 45 are compared, and the most representative representative posture is extracted. As an example, the posture A2 is extracted.
実施例1では、図3のステップS3において、解析モデルを用いて応力の分布を算出したが、実施例3では、解析モデルを用いることなく、記憶装置43に記憶されている対応表45から応力を求める。以下、図11を参照して、応力を求める方法について説明する。 In the first embodiment, the stress distribution is calculated using the analysis model in step S3 of FIG. 3, but in the third embodiment, the stress is calculated from the correspondence table 45 stored in the storage device 43 without using the analysis model. Ask for. Hereinafter, a method for obtaining the stress will be described with reference to FIG.
荷重センサの実測値と、対応表45の、代表的な姿勢A2に対応する標準荷重B2とを比較する。比較結果に基づいて、応力の換算係数を求める。換算係数は、荷重センサの実測値を、標準荷重B2で除算することにより算出される。 The actual measurement value of the load sensor is compared with the standard load B2 corresponding to the representative posture A2 in the correspondence table 45. Based on the comparison result, a stress conversion coefficient is obtained. The conversion coefficient is calculated by dividing the actual measurement value of the load sensor by the standard load B2.
代表的な姿勢A2に対応する標準応力C2に、換算係数を乗算することにより、応力を求める。複数の解析時刻において、同様の手順により、応力を求めることができる。これ
により、図7に示したような応力の時間波形が求められる。応力の時間波形が求められた後の手順は、図3に示した実施例1のステップS4以降の手順と同一である。
The stress is obtained by multiplying the standard stress C2 corresponding to the representative posture A2 by the conversion coefficient. The stress can be obtained by a similar procedure at a plurality of analysis times. Thereby, the time waveform of the stress as shown in FIG. 7 is obtained. The procedure after the time waveform of the stress is obtained is the same as the procedure after step S4 of the first embodiment shown in FIG.
実施例3においては、ショベルの部品に加わる応力の算出時に、有限要素法等の演算を行う必要がない。このため、処理装置42(図2)に加わる負荷を軽減することができる。 In the third embodiment, it is not necessary to perform calculations such as the finite element method when calculating the stress applied to the parts of the excavator. For this reason, the load added to the processing apparatus 42 (FIG. 2) can be reduced.
[実施例4]
図12を参照して、実施例4によるショベル管理装置で実行される部品の寿命の算出方法について説明する。以下、実施例1との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
[Example 4]
With reference to FIG. 12, a method for calculating the lifetime of a part executed by the excavator management device according to the fourth embodiment will be described. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described, and description of the same configuration will be omitted.
実施例4においては、記憶装置43(図2)に、ショベルの姿勢及び部品に加わる荷重の組み合わせに対して、部品に発生する応力を対応付けるマップ46が記憶されている。マップ46において、ショベルの一連の動作で現れる種々の姿勢P1、P2、P3、・・・、及び部品に印加される定格範囲内の種々の荷重Q1、Q2、Q3、・・・について、応力Rが対応付けられている。例えば、姿勢Pi、荷重Qjの組み合わせに対して、応力Rijが対応付けられている。ここで、i、jは、正の整数である。 In the fourth embodiment, the storage device 43 (FIG. 2) stores a map 46 that associates the stress generated in the component with the combination of the shovel posture and the load applied to the component. In the map 46, stress R for various postures P1, P2, P3,... Appearing in a series of operations of the excavator and various loads Q1, Q2, Q3,. Are associated. For example, the stress Rij is associated with the combination of the posture Pi and the load Qj. Here, i and j are positive integers.
実施例1の図3に示したステップS1と同様に、姿勢センサ及び荷重センサによって、繰り返される一連の動作の少なくとも1周期分の測定値を取得する。解析時刻において、姿勢センサによって取得された姿勢、及び荷重センサによって取得された荷重に基づいて、マップ46から応力を求める。例えば、解析時刻t1、t2、t3、t4に対応して、応力R32、R43、R34、R24が抽出される。これにより、図7に示したような応力の時間波形が求められる。応力の時間波形が求められた後の手順は、図3に示した実施例1のステップS4以降の手順と同一である。 Similar to step S1 shown in FIG. 3 of the first embodiment, the posture sensor and the load sensor obtain measurement values for at least one cycle of a series of repeated operations. At the analysis time, the stress is obtained from the map 46 based on the posture acquired by the posture sensor and the load acquired by the load sensor. For example, stresses R32, R43, R34, and R24 are extracted corresponding to the analysis times t1, t2, t3, and t4. Thereby, the time waveform of the stress as shown in FIG. 7 is obtained. The procedure after the time waveform of the stress is obtained is the same as the procedure after step S4 of the first embodiment shown in FIG.
実施例4においても、実施例3と同様に、ショベルの部品に加わる応力の算出時に、有限要素法等の演算を行う必要がない。このため、処理装置42(図2)に加わる負荷を軽減することができる。 In the fourth embodiment, similarly to the third embodiment, it is not necessary to perform an operation such as a finite element method when calculating the stress applied to the parts of the excavator. For this reason, the load added to the processing apparatus 42 (FIG. 2) can be reduced.
上記実施例1では、解析モデルを用いて応力を算出し、実施例3では、対応表45(図11)を用いて応力を算出し、実施例4では、マップ46(図12)を用いて応力を算出した。これらの方法で求められた応力を、実施例2に示したようなショベルに直接取り付けられた応力センサの測定値を用いて補正してもよい。以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。また、実施例1〜4では、ショベルで繰り返される1周期分の応力変化に基づいて、累積損傷度を算出したが、1周期内の任意の工程のみを抽出し、抽出された工程における応力変化に基づいて、累積損傷度、及び余寿命を算出してもよい。 In the first embodiment, the stress is calculated using the analysis model. In the third embodiment, the stress is calculated using the correspondence table 45 (FIG. 11). In the fourth embodiment, the stress is calculated using the map 46 (FIG. 12). Stress was calculated. You may correct | amend the stress calculated | required by these methods using the measured value of the stress sensor directly attached to the shovel as shown in Example 2. FIG. Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made. Moreover, in Examples 1-4, although the cumulative damage degree was calculated based on the stress change for 1 period repeated with an excavator, only the arbitrary process in 1 period was extracted, and the stress change in the extracted process Based on the above, the cumulative damage degree and the remaining life may be calculated.
20 下部走行体
21 上部旋回体
23 ブーム
24 ブームシリンダ
25 アーム
26 アームシリンダ
27 バケット
28 バケットシリンダ
34 旋回モータ
35 旋回角センサ
37 応力センサ
40 ショベル管理装置
41 入力装置
42 処理装置
43 記憶装置
44 出力装置
45 対応表
46 マップ
50 ショベル
51 通信網
20 Lower traveling body 21 Upper revolving body 23 Boom 24 Boom cylinder 25 Arm 26 Arm cylinder 27 Bucket 28 Bucket cylinder 34 Turning motor 35 Turning angle sensor 37 Stress sensor 40 Excavator management device 41 Input device 42 Processing device 43 Storage device 44 Output device 45 Correspondence table 46 Map 50 Excavator 51 Communication network
Claims (11)
前記入力装置を通して入力された前記センサの検出結果を、解析モデルを用いて解析することにより、前記ショベルの部品に加わる応力を算出する処理装置と
を有し、
前記複数のセンサは、前記ショベルの上部旋回体に連結されたアタッチメントの上面、底面、及び2つの側面に配置された応力センサを含み、
前記処理装置は、前記応力センサの検出結果の時間変化から、前記アタッチメントに加わる応力の時間変化を算出し、
応力の時間変化の算出結果に基づいて、前記アタッチメントの寿命を求めるショベル管理装置。 An input device that receives detection results from a plurality of sensors that detect the operating state of the excavator;
A processing device that calculates the stress applied to the parts of the excavator by analyzing the detection result of the sensor input through the input device using an analysis model;
The plurality of sensors includes a stress sensor disposed on an upper surface, a bottom surface, and two side surfaces of an attachment connected to the upper swing body of the excavator,
The processing device calculates a time change of stress applied to the attachment from a time change of a detection result of the stress sensor,
An excavator management device for obtaining a lifetime of the attachment based on a calculation result of a time change of stress.
前記入力装置を通して入力された前記センサの検出結果を、解析モデルを用いて解析することにより、前記ショベルの部品に加わる応力を算出する処理装置と
を有し、
前記複数のセンサは、前記ショベルの上部旋回体に連結されたアタッチメントの上面、底面、及び2つの側面に配置された応力センサを含み、
前記処理装置は、前記複数のセンサの検出結果の時間変化から、前記アタッチメントに加わる応力の時間変化を算出し、
応力の時間変化の算出結果に基づいて、前記アタッチメントの寿命を求め、
前記複数のセンサは、さらに、前記ショベルの部品に加わる荷重、及び前記ショベルの姿勢を計測するセンサを含み、前記処理装置は、繰り返される一連の動作において出現する前記ショベルの姿勢に対応した荷重、及び前記応力センサの検出結果から、前記アタッチメントに加わる応力の時間変化を算出するショベル管理装置。 An input device that receives detection results from a plurality of sensors that detect the operating state of the excavator;
A processing device for calculating the stress applied to the parts of the excavator by analyzing the detection result of the sensor input through the input device using an analysis model;
Have
The plurality of sensors includes a stress sensor disposed on an upper surface, a bottom surface, and two side surfaces of an attachment connected to the upper swing body of the excavator,
The processing device calculates a time change of stress applied to the attachment from a time change of detection results of the plurality of sensors,
Based on the calculation result of the time change of stress, obtain the life of the attachment,
The plurality of sensors further includes a sensor that measures a load applied to the excavator component and a posture of the excavator, and the processing device includes a load corresponding to the posture of the shovel that appears in a series of repeated operations, and the detection result of said stress sensor, calculated to Cie Yoberu management device the time change of stress applied to the attachment.
前記処理装置は、前記アタッチメントに加わる応力の時間変化の算出結果に基づいて、前記一連の動作中に受ける損傷を1周期の期間にわたって累積した累積損傷度の、前記アタッチメント内における分布を求め、求められた累積損傷度の分布を前記出力装置に出力する請求項2乃至5のいずれか1項に記載のショベル管理装置。 In addition, including an output device,
The processing apparatus obtains and obtains a distribution in the attachment of a cumulative damage degree obtained by accumulating damage received during the series of operations over a period of one cycle based on a calculation result of a time change of stress applied to the attachment. The excavator management device according to any one of claims 2 to 5, wherein a distribution of the cumulative damage degree thus obtained is output to the output device.
(b)前記応力センサから取得された複数の時刻の前記検出結果を、解析モデルを用いた解析に適用して、前記アタッチメントに加わる応力を算出することにより、応力の時間変化を得る工程と、
(c)前記応力の時間変化に基づいて、前記アタッチメントの寿命を求めるショベル管理方法。 (A) The detection result of the sensor of the shovel equipped with a plurality of sensors for detecting the operation state, including stress sensors arranged on the upper surface, the bottom surface, and the two side surfaces of the attachment connected to the upper swing body of the shovel. Acquiring time variation;
(B) applying the detection results at a plurality of times acquired from the stress sensor to an analysis using an analysis model, and calculating a stress applied to the attachment, thereby obtaining a time change in stress;
(C) A shovel management method for obtaining a lifetime of the attachment based on a time change of the stress.
(b)前記センサから取得された複数の時刻の前記検出結果を、解析モデルを用いて解析し、前記アタッチメントに加わる応力を算出することにより、応力の時間変化を得る工程と、
(c)前記応力の時間変化に基づいて、前記アタッチメントの寿命を求める工程と
を有し、
前記複数のセンサは、さらに、前記アタッチメントに加わる荷重、及び前記ショベルの姿勢を計測し、
前記工程(a)において、繰り返される一連の動作において出現する前記ショベルの姿勢に対応した荷重を取得し、
前記工程(b)において、前記ショベルの姿勢、前記姿勢に対応した前記荷重、及び前記応力センサの検出結果に基づいて、前記応力の時間変化を求めるショベル管理方法。 (A) The detection result of the sensor of the shovel equipped with a plurality of sensors for detecting the operation state, including stress sensors arranged on the upper surface, the bottom surface, and the two side surfaces of the attachment connected to the upper swing body of the shovel. Acquiring time variation;
(B) analyzing the detection results of a plurality of times acquired from the sensor using an analysis model, and calculating a stress applied to the attachment, thereby obtaining a time change of stress;
(C) obtaining a lifetime of the attachment based on a time change of the stress ;
Have
The plurality of sensors further measure a load applied to the attachment and an attitude of the shovel,
In the step (a), obtaining a load corresponding to the posture of the shovel that appears in a series of repeated operations,
Wherein In the step (b), the posture of the shovel, the load corresponding to the position, and on the basis of the detection result of said stress sensor, shovel management method asking you to time variation of the stress.
(d)前記ショベルが前記一連の動作を行う期間に、前記応力センサによって実測された応力の時間変化を取得する工程と、
(e)前記応力の時間変化に基づいて、解析を行うべき複数の評価時刻を決定する工程と
を有し、
前記工程(a)において、前記工程(e)で決定された評価時刻において、前記解析モデルを用いた解析を行う請求項8乃至10のいずれか1項に記載のショベル管理方法。
Furthermore, before the step (a),
(D) obtaining a time change of stress actually measured by the stress sensor during a period in which the excavator performs the series of operations;
(E) determining a plurality of evaluation times to be analyzed based on the time change of the stress,
The excavator management method according to any one of claims 8 to 10, wherein in the step (a), the analysis using the analysis model is performed at the evaluation time determined in the step (e).
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