CN109689980B - 挖土机 - Google Patents

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Abstract

本发明的挖土机(1)具有：行走体；上部回转体，转动自如地设置于行走体；及附属装置，具有动臂、斗杆、铲斗，并安装于上部回转体。翘起抑制部(600)校正附属装置的动臂缸(7)的动作，以便抑制将行走体的前方设为翻转支点的后方的翘起。

Description

挖土机
技术领域
本发明涉及一种挖土机。
背景技术
挖土机主要具备行走体(还称为履带、下部行走体)、上部回转体、附属装置。上部回转体转动自如地安装于行走体并通过回转马达来控制位置。附属装置安装于上部回转体，并在进行作业时使用。
操作者根据作业内容，控制附属装置的动臂、斗杆、铲斗，但此时，车身(即，行走体、上部回转体)受到来自附属装置的反作用力。根据施加反作用力的方向、车身的姿势、地面的状况，有时导致挖土机的主体翘起。
在专利文献1中公开了通过抑制动臂缸的收缩侧(杆侧)的压力，防止车身的翘起的技术。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-122510号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
本发明人对挖土机进行研究的结果，认识到以下课题。根据挖土机的作业状态，有可能会使车身的后方以车身的前方为支点而翘起，从而作业效率下降。
本发明是鉴于这种课题而完成的，其一方式的例示性目的之一在于，提供一种具备抑制因附属装置的动作而引起的车身的后方的翘起的抑制机构的挖土机。
用于解决技术课题的手段
本发明的一方式涉及一种挖土机。挖土机具备：行走体；上部回转体，转动自如地设置于行走体；附属装置，具有动臂、斗杆、铲斗，并安装于上部回转体；及翘起抑制部，校正附属装置的动臂缸的动作，以便抑制以行走体的前方为翻转支点的后方的翘起。
通过校正动臂缸的动作，能够抑制附属装置传递到车身的反作用力，其结果，能够抑制后方翘起。
翘起抑制部可以根据动臂缸传递到上部回转体的力来校正动臂缸的动作。
翘起抑制部可以根据动臂缸的杆压力及缸底压力来校正动臂缸的动作。
翘起抑制部可以控制动臂缸的杆压力。
例如，在动臂缸的杆侧设置安全阀，抑制杆压力变得过高，由此能够抑制后方翘起。或者，也可以在相对于动臂缸的控制阀的先导管路上设置电磁控制阀来调节先导压力，由此抑制杆压力变得过高。
将挖土机的车身重心与行走体的翻转支点之间的距离设为D2，将动臂缸的延长线与翻转支点之间的距离设为D4，将动臂缸传递到上部回转体的力设为F1，将车身重量设为M，将重力加速度设为g时，翘起抑制部可以校正动臂缸的动作，以便D4F1＜D2Mg成立。
将D2/D4×Mg设为力F1的容许最大值FMAX，
通过控制F1以便F1＜D2/D4×Mg成立，从而可以抑制后方翘起。
其中，F1可以根据动臂缸的杆压力PR和缸底压力PB来计算。
根据上部回转体的方向来改变翻转支点的位置。
根据行走体翘起的时刻的力F1来获取距离D4、D2或它们的比。
与上部回转体的方向无关地，可以将翻转支点的位置设为固定。
另外，在方法、装置、系统等之间互相替换以上的构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表述的方式，也作为本发明的有效方式。
发明效果
根据本发明，能够抑制挖土机的行走体的后方的翘起。
附图说明
图1是表示作为实施方式所涉及的施工机械的一例的挖土机的外观的立体图。
图2是说明在挖土机进行作业时产生的后方翘起的一例的图。
图3是挖土机的电气系统及液压系统的框图。
图4是表示与后方翘起相关联的挖土机的力学模型的图。
图5是第1结构例所涉及的挖土机的翘起抑制部及其周边的框图。
图6是表示第2结构例所涉及的翘起抑制部的框图。
图7是第3结构例所涉及的挖土机的翘起抑制部及其周边的框图。
图8是实施方式所涉及的后方翘起校正的流程图。
图9(a)～图9(c)是表示回转体的回转角度θ与翻转支点之间的关系的图。
图10是表示设置于挖土机的驾驶室的显示器及操作部一例的图。
图11(a)、图11(b)是说明应使翘起抑制功能无效化的状况的图。
图12(a)、图12(b)是说明后方翘起的另一例的图。
图13是表示与前方翘起相关联的挖土机的力学模型的图。
具体实施方式
以下，基于优选实施方式参考附图对本发明进行说明。对各附图所示的相同或者等同的构成要件、部件、处理标注相同符号，适当省略重复的说明。并且，实施方式并不限定发明，而只是例示，实施方式中叙述的所有特征或其组合未必为发明的本质性特征或其组合。
本说明书中，“部件A与部件B连接的状态”除了部件A与部件B物理地直接连接的情况以外，还包括部件A与部件B经由实质上不影响它们之间的电连接状态，或者不损害通过它们的结合而能够发挥的功能或效果的其他部件而间接连接的情况。
图1是表示作为实施方式所涉及的施工机械的一例的挖土机1的外观的立体图。挖土机1主要具备行走体(也称为下部行走体、履带)2及经由回转装置3而转动自如地搭载于行走体2的上部的上部回转体4。
在上部回转体4上安装有附属装置12。附属装置12中，安装有动臂5、连杆连接于动臂5的前端的斗杆6、以及连杆连接于斗杆6的前端的铲斗10。铲斗10是用于捕获砂土、钢材等吊物的机构。动臂5、斗杆6及铲斗10分别通过动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9来液压驱动。并且，在上部回转体4上设置有用于容纳操作铲斗10的位置或励磁动作及释放动作的操作者(驾驶员)的驾驶室4a、用于产生液压的引擎11这样的动力源。
接着，对挖土机1的后方翘起及其抑制进行详细说明。
基于挖土机1的翘起的抑制能够理解为，使紧绷的附属装置缓冲而附属装置的反作用/力不会传递到车身。
图2是说明在挖土机进行作业时产生的后方翘起的一例的图。挖土机1进行地面50的挖掘作业，产生力F2以便铲斗10掘入斜面51，并且产生力F3以便动臂5将铲斗10按压于斜面51。此时，动臂缸7向挖土机1的车身(行走体2、回转装置3、回转体4)传递反作用力F1。若反作用力F1欲将车身倾斜的力(转矩)超过基于重量的欲将车身按压于地面的力(转矩)，则导致车身的后方翘起。
如图2所示，在铲斗10与地面或对象物接触并卡住，或者嵌入的情况下，即使力作用于动臂5，动臂5也不会移动，因此动臂缸7的杆不会位移。若杆侧油室的压力变大，则抬起动臂缸7本身的力F1变大，而欲将车身向前方倾斜的力(转矩)F3变大。
这种事例可能在铲斗10位于比车身(行走体2)更靠下方的深挖或如图2所示在前方斜面的整地作业下发生。并且，并不限于操作动臂本身的情况，在操作斗杆或铲斗的情况下也会产生。
接着，对能够抑制后方的翘起的挖土机1的具体的结构进行说明。图3是挖土机1的电气系统及液压系统的框图。另外，图3中，以双重线表示机械性地传递动力的系统，以粗实线表示液压系统，以虚线表示操纵系统，以细实线表示电气系统。另外，在此对液压挖土机进行说明，但本发明还能够应用于使用电动机进行回转的混合式挖土机中。
引擎11与主泵14及先导泵15连接。在主泵14上，经由高压液压管路16而连接有控制阀17。另外，向液压致动器供给液压的液压回路有时设置成双系统，在该情况下，主泵14包括2个液压泵。本说明书中，为了便于理解，对主泵为单系统的情况进行说明。
控制阀17为进行挖土机1中的液压系统的控制的装置。在控制阀17上，除了连接有用于驱动图1示出的行走体2的行走液压马达2A及2B以外，经由高压液压管路连接有动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9，控制阀17根据操作者的操作输入控制供给至这些缸体的液压(控制压力)。
并且，用于驱动回转装置3的回转液压马达21连接于控制阀17。回转液压马达21经由回转控制器的液压回路连接于控制阀17，但未在图3中示出回转控制器的液压回路，进行了简化。
在先导泵15上，经由先导管路25连接有操作装置26(操作机构)。操作装置26是用于操作行走体2、回转装置3、动臂5、斗杆6及铲斗10的操作机构，并由操作者进行操作。在操作装置26上，经由液压管路27连接有控制阀17，并且经由液压管路28连接有压力传感器29。
例如，操作装置26包括液压先导式操作杆26A～26D。操作杆26A～26D分别为与动臂轴、斗杆轴、铲斗轴及回转轴对应的操作杆。实际上，设置有两个操作杆，2个轴分配到其中一个操作杆的纵向、横向，剩余的2个轴分配到剩余的操作杆的纵向、横向。并且，操作装置26包括用于控制行走轴的踏板(未图示)。
操作装置26将通过先导管路25供给的液压(初级侧的液压)转换为与操作者的操作量相应的液压(次级侧的液压)而输出。从操作装置26输出的次级侧的液压(控制压力)通过液压管路27供给至控制阀17，并且通过压力传感器29而被检测。即，压力传感器29的检测值表示操作者针对每一操作杆26A～26D的操作输入θCNT。另外，在图3中，描绘了1根液压管路27，但实际上存在左行走液压马达、右行走液压马达、回转各自的控制指令值的液压管路。
控制器30为进行挖土机的驱动控制的主控制部。控制器30由包括CPU(中央处理器，Central Processing Unit)及内部存储器的运算处理装置构成，且通过CPU执行载入于存储器的驱动控制用程序来实现。
而且，挖土机1具备翘起抑制部600。翘起抑制部600校正附属装置12的动臂缸7的动作，以便抑制行走体2的后方朝向附属装置12的延长方向的后方翘起。翘起抑制部600的主要部分能够构成为控制器30的一部分。
图4是表示与后方翘起相关联的挖土机的力学模型的图。
D2表示挖土机的车身重心P3与行走体2的前方的翻转支点P1之间的距离。翻转支点P1能够视为在行走体2的有效接地区域52中，附属装置12所延伸的方向(回转体4的方向)上的最前端。
并且，D4表示动臂缸7的延长线l2与翻转支点P1之间的距离。F1是动臂缸7传递到上部回转体4的力，M是车身重量，g是重力加速度。此时，围绕翻转支点P1而欲将车身向前方倾斜的转矩τ1由式(1)来表示。
τ1＝D4×F1……(1)
另一方面，重力围绕翻转支点P1而欲将车身按压于地面的转矩τ2由式(2)来表示。
τ2＝D2Mg……(2)
车身的后方不翘起而稳定的条件为
τ1＜τ2……(3)，
若代入式(1)、(2)，则作为稳定条件而得到不等式(4)。
成为
D4F1＜D2Mg……(4)。
即，翘起抑制部600只要校正动臂缸7的动作而使不等式(4)成立即可。
(第1结构例)
图5是第1结构例所涉及的挖土机1的翘起抑制部600及其周边的框图。压力传感器510、512分别测定动臂缸7的杆侧油室的压力(杆压力)PR、缸底侧油室的压力(缸底压力)PB。所测定的压力PR、PB被输入至翘起抑制部600(控制器30)。
翘起抑制部600包括力推断部602、距离计算部604、压力调节部606。
力F1由压力PR、PB的函数f(PR，PB)来表示。
F1＝f(PR，PB)……(5)
力推断部602根据杆压力PR及缸底压力PB计算动臂缸7传递到回转体4的力F1。
作为一例，将杆侧的受压面积设为AR，将缸底侧的受压面积设为AB时，能够表示为
F1＝AR·PR-AB·PB。力推断部602可以根据该式对力F1进行计算或者推断。
并且，距离计算部604分别获取距离D2及D4，或者获取它们的比D2/D4。不包括附属装置12的车身重心P3的位置与回转体4的回转角度θ无关地为固定，但翻转支点P1的位置因回转角度θ而发生变化。因此，实际上，距离D2可根据回转体4的回转θ而发生变化，但最简单的是可以将距离D2当作常数。
距离D4能够根据翻转支点P1的位置和动臂缸7的角度(例如，动臂缸7与铅垂轴54所呈的角度η1)来几何运算。角度η1能够由动臂缸7的伸缩长度和挖土机1的尺寸以及挖土机1的车身的倾斜度等几何运算。或者，可以设置测定角度η1的传感器，利用传感器的输出。
压力调节部606根据力F1、距离D2、D4来控制动臂缸7的压力，以便不等式(4)成立。该结构例中，压力调节部606调节动臂缸7的杆压力RR，以便不等式(4)成立。
电磁比例安全阀520设置于动臂缸7的杆侧油室与罐体之间。压力调节部606控制电磁比例安全阀520，并对动臂缸7的缸压进行减压，以便不等式(4)成立。由此，杆压力PR下降，因此F1变小，从而能够抑制后方的翘起。
另外，控制动臂缸7的控制阀17的阀柱的状态，换言之，从主泵14供给至动臂缸7的压力油的流向并没有特别限定，根据附属装置12的状态(作业内容)，可以是反向，或者可以是屏蔽状态，而并非如图5的正向。
(第2结构例)
图6是表示第2结构例所涉及的翘起抑制部600的框图。若改变不等式(4)，则得到以下的关系式(6)。
F1＜D2/D4×Mg……(6)
即，D2/D4×Mg是力F1的容许最大值FMAX。
并且，杆压力PR也能够表示为力F1及缸底压力RB的函数g(F1，RB)。
PR＝g(F1，RB)……(7)
因此，能够计算杆压力PR可取的最大值(最大压力)PRMAX。
PRMAX＝g(FMAX，RB)……(8)
最大压力计算部608根据式(8)计算杆压力PR中容许的最大压力PRMAX。压力调节部606控制电磁比例安全阀520，以便压力传感器510检测的杆压力PR不超过最大压力PRMAX。
本领域技术人员可以理解，除了图5和图6之外，还能够控制杆压力PR，以便满足不等式(4)。
(第3结构例)
图7是第3结构例所涉及的挖土机1的翘起抑制部600及其周边的框图。图7的挖土机1具备电磁比例控制阀530，来代替图5的挖土机1的电磁比例安全阀520。电磁比例控制阀530设置于从操作杆26A至控制阀17的先导管路27A。翘起抑制部600改变针对电磁比例控制阀530的控制信号，并改变针对控制阀17的压力，以便满足不等式(4)，由此改变动臂缸7的缸底侧油室的压力及杆侧油室的压力。
另外，图7的翘起抑制部600的结构和控制方式并无限定，可采用图5或者图6及其他结构、方式。
以上为挖土机1的结构。接着，对其动作进行说明。
图8是实施方式所涉及的后方翘起抑制校正的流程图。首先，判定挖土机是否正在行走(S100)。而且，正在行走的情况下(S100的“是”)，再次返回S100的判定。在挖土机停止行走的情况下(S100的“否”)，判定附属装置是否正在动作(S102)。若为非工作中(S102的“否”)，则返回步骤S100。若检测出附属装置12的动作(S102的“是”)，则翘起抑制处理有效。
翘起抑制处理中，监控动臂缸的缸底压力及杆压力以及动臂传递到车身的力F1。而且，调整动臂缸7的压力，以便不产生翘起，更具体而言，以便满足不等式(4)。
以上为挖土机1的动作。根据实施方式所涉及的挖土机1，在产生挖土机的翘起之前，能够预先抑制翘起。
接着，对距离D2及D4进行详细说明。图9(a)～图9(c)是表示回转体4的回转角度θ与翻转支点P1的关系的图。l1表示与附属装置所延伸的方向(回转体4的方向)正交，并且穿过在有效接地区域52中附属装置12所延伸的方向上的最前端的线。翻转支点P1位于该线l1上。如图9(a)～图9(c)所示，距离D2根据回转体4的角度θ而发生变化，因此翘起抑制部600可以几何运算距离D2。或者，可以预先将角度θ与距离D2的关系储存于查表，并参考该查表来获取距离D2。角度θ的检测方法并无特别限定。
在图9(a)～图9(c)中未示出，但翻转支点P1与动臂缸7的延长线l2的距离D4能够根据回转体4的回转角θ与动臂缸7的角度η来获取。
接着，对与距离D2、D4的获取有关的另一方法进行说明。返回图5。挖土机1可以具备加速度传感器、速度传感器、陀螺仪传感器等传感器540。传感器540检测围绕挖土机的车身的间距轴的旋转。
翘起抑制部600根据传感器540的输出来检测行走体2(车身)翘起的瞬间。在翘起的时刻(翘起之前)，式(9)成立。
D4F1_INIT＝D2Mg……(9)
F1_INIT是翘起的时刻的力F1。翘起抑制部600获取力F1_INIT，确定距离D4、D2的关系式(9)。
获取了该关系式之后，翘起抑制部600能够校正力F1，以便不等式(4)或者(6)成立。例如，计算D2/D4＝F1_INIT/Mg，根据不等式(6)来控制力F1。
或者，可以利用关系式(9)来计算翻转支点P1的位置，并利用所计算出的翻转支点P1来分别运算距离D2、D4。如此，通过检测翘起的瞬间，即使不检测回转体4的角度θ，也能够获取距离D2、D4。
以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员可以理解，本发明不限定于上述实施方式，能够进行各种设计变更，能够实现各种变形例，并且这样的变形例也属于本发明的范围。以下，对这样的变形例进行说明。
(变形例1)
通过高速进行附属装置12的动作的校正，理论上能够使操作者不意识校正而抑制翘起。然而，若响应延迟变大，则也会存在操作者在本人的操作及附属装置12的动作之间感到背离的可能性。因此，挖土机1也可以与附属装置12的动作的校正一并向操作者发出产生了翘起的通知、警报。该报知、警报可以利用发出语音消息或警告音等的听觉机构，也可以利用显示器或警告灯等的视觉机构，还可以利用产生振动等的触觉(物理性)机构。
由此，操作者能够认识到由附属装置12的动作的自动校正而引起了操作与动作之间的背离。并且，在连续发生该通知的情况下，操作者能够认识到自身的操作不恰当，从而操作得到辅助。
(变形例2)
有时操作者也会有意向性地想利用车身的翘起。因此，使操作者能够将翘起抑制功能设为关闭、打开即可。图10是表示设置于挖土机的驾驶室的显示器700及操作部710的一例的图。例如，在显示器700上，显示有向操作者询问翘起抑制功能的打开/关闭(有效/无效)的对话702和图标。操作者利用操作部710，选择使翘起校正功能有效还是无效。操作部710可以是触控面板，操作者通过触碰显示器上的恰当的部位，可以指定有效/无效。
图11(a)、图11(b)是说明应使翘起抑制功能无效化的状况的图。图11(a)是行走体2掉入深处而欲脱离该处的情况。在无法巧妙地获得基于行走体2的推进力的情况下，通过操作附属装置12并积极地使行走体2翘起，能够从深处脱离。
图11(b)是欲进行行走体2的履带(caterpillar)的刮泥的情况。利用附属装置12，使一侧的履带翘起并进行空转，能够使履带的泥脱落。在该情况下，翘起抑制功能也应无效化。
(变形例3)
参考图2，对因动臂的操作而引起的翘起进行了说明，但本发明的应用并不限定于此。图12(a)、图12(b)是说明后方翘起的另一例的图。图12(a)表示通过铲斗10的操作，欲向铲斗刮入砂土时，与硬石800接触的状态。该情况下，后方以前方为支点欲翘起。
图12(b)表示斜坡的精加工作业。该作业中，进行使铲斗10沿着斜坡移动的动作，并同时操作动臂和斗杆。此时，若铲斗10与埋入斜坡的石800碰撞，则后方以前方为支点欲翘起。即使在如图12(a)、图12(b)那样的状况下，上述的翘起抑制功能也有效地发挥作用。
(变形例4)
对后方支点的前方翘起进行说明。根据车身的姿势、地面的状况，挖土机有时将后方设为支点而前方翘起。
图13是表示与前方翘起相关联的挖土机的力学模型的图。D2表示挖土机的车身重心P3与行走体2的后方的翻转支点P1之间的距离。翻转支点P1能够视为在行走体2的有效接地区域52中，附属装置12所延伸的方向(回转体4的方向)上的最后端。
并且，D4表示动臂缸7的延长线l2与翻转支点P1之间的距离。F1是动臂缸7传递到上部回转体4的力，M是车身重量，g是重力加速度。此时，将翻转支点P1设为中心而欲使车身逆时针倾斜的转矩τ1(即，欲翘起的转矩)由式(10)来表示。
τ1＝D4×F1……(10)
另一方面，将翻转支点P1设为中心而重力欲使车身顺时针倾斜的转矩τ2(即，欲按压于地面的转矩)由式(11)来表示。
τ2＝D2Mg……(11)
车身的前方不翘起而稳定的条件为
τ1＜τ2……(12)，
若代入式(10)、(11)，则作为稳定条件而得到不等式(13)。
成为
D4F1＜D2Mg……(13)。
即，翘起抑制部600只要校正动臂缸7的动作而使不等式(13)成立即可。
实施方式中，通过控制动臂缸7的压力而抑制了翘起，但除此之外，可以控制斗杆缸和铲斗缸的压力。
根据实施方式，利用具体的语句对本发明进行了说明，但实施方式仅示出了本发明的原理、应用，在不脱离技术方案所规定的本发明的思想的范围内，实施方式允许多种变形例或配置的变更。
符号说明
1-挖土机，2-行走体，2A、2B-行走液压马达，3-回转装置，4-回转体，4a-驾驶室，5-动臂，6-斗杆，7-动臂缸，8-斗杆缸，9-铲斗缸，10-铲斗，11-引擎，12-附属装置，14-主泵，15-先导泵，17-控制阀，21-回转液压马达，26-操作装置，27-先导管路，30-控制器，600-翘起抑制部，602-力推断部，604-距离计算部，606-压力调节部，510、512-压力传感器，520-电磁比例安全阀，530-电磁比例控制阀。
产业上的可利用性
本发明能够用于工业用机械。

Claims (9)

1.一种挖土机，其特征在于，具备：
行走体；
上部回转体，转动自如地设置于所述行走体；
附属装置，具有动臂、斗杆、铲斗，并安装于所述上部回转体；及
翘起抑制部，校正所述附属装置的动臂缸的动作，以便抑制以行走体的前方为翻转支点的后方的翘起，
所述翘起抑制部，判定为没有对所述行走体进行操作，并判定为所述附属装置被操作，基于所述动臂缸的杆压力和缸底压力来校正所述动臂缸的动作。
2.根据权利要求1所述的挖土机，其特征在于，
所述翘起抑制部根据所述动臂缸传递到所述上部回转体的力来校正所述动臂缸的动作。
3.根据权利要求1所述的挖土机，其特征在于，
还具备加速度传感器、速度传感器、陀螺仪传感器中的至少一个，用于检测所述挖土机绕间距轴的旋转，
所述翘起抑制部根据所述传感器的输出来校正所述动臂缸的动作。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的挖土机，其特征在于，
将所述挖土机的车身重心与所述行走体的翻转支点之间的距离设为D2，将所述动臂缸和所述上部回转体的连结点与所述翻转支点之间的距离设为D4，将所述动臂缸传递到所述上部回转体的力设为F1，将车身重量设为M，将重力加速度设为g时，所述翘起抑制部校正所述动臂缸的动作，以便D4F1＜D2Mg成立。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的挖土机，其特征在于，
根据所述上部回转体的朝向来改变所述翻转支点的位置。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的挖土机，其特征在于，
根据所述行走体翘起的时刻的力F1_INIT来获取距离D4、D2或它们的比。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的挖土机，其特征在于，
还具备用于操作人员选择所述翘起抑制部的功能为有效的状态还是无效的状态的操作部。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的挖土机，其特征在于，
正在操作所述动臂、所述斗杆、所述铲斗的至少一个时执行基于所述翘起抑制部的所述动臂缸的动作校正。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的挖土机，其特征在于，
所述翘起抑制部还校正所述附属装置的动臂缸的动作，以便抑制以所述行走体的后方为翻转支点的前方的翘起。
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