CN1942633A - 旋转式作业机 - Google Patents

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Abstract

问题:为了防止停机制动器和旋转驱动部件受到挖掘反作用力等等所引起的旋转外力的损坏,以及为了停止和保持旋转体。解决问题的手段:如果臂操作、铲斗操作和行进操作中的至少之一在旋转停止的状态下被执行,有关臂操作和铲斗操作的臂油缸(7)或铲斗油缸(8)的油缸推力大于或等于一设定值,则由控制器(31)释放该停机制动器(22),旋转电动机(20)通过速度-反馈-控制或位置-反馈-控制来停止和保持上旋转体。

Description

旋转式作业机
技术领域
本发明涉及一种由电动机驱动并旋转一旋转体的旋转式作业机。
背景技术
在诸如铲车或吊车的旋转式作业机中,如专利文献1所述,利用电动机作为旋转驱动源并通过改变电动机的旋转方向和速度来控制旋转方向和旋转速度的电动机驱动系统是众所周知的。
与液压马达驱动系统相比,电动机驱动系统的能量效率得到改善。
另外,在电动机驱动系统中,如专利文献2所述,在旋转操作停止的状态下起动一停机制动器,并且将旋转体停止并保持,这种技术是众所周知的。
在设有停机制动器的作业机中,由于例如铲车的作业装置(吊杆、臂、铲斗)的挖掘而产生的挖掘反作用力可能在旋转方向上对旋转体产生外力(在下文中被称为旋转外力)。
在这种情况下,如果停机制动器正在工作,过大的力就会通过旋转外力作用于停机制动器和旋转驱动部件(旋转电动机、减速机构)上,这会损坏停机制动器和旋转驱动部件。
另一方面,对于采用使用液压马达作为驱动源的液压马达驱动系统这样的装置来说,如专利文献3所述,已经提出了在作业装置工作时释放停机制动器的技术。这种想法可以用于电动机驱动系统的装置,有可能通过释放该停机制动器而松开该旋转外力,从而保护停机制动器和旋转驱动部件。
专利文献1:日本未审专利申请公开No.11-93210
专利文献2:日本未审专利申请公开No.2001-11897
专利文献3:日本未审专利申请公开No.2003-284808
发明内容
然而,如果停机制动器只在作业装置工作的条件下被释放,那么即使挖掘反作用力不起作用(例如当作业装置在空中工作时),或者即使只有很小的挖掘反作用力起作用,那么停机制动器也同样要被释放。
在这种状态下,就电动机驱动系统而言,电流没有供给至电动机,不产生输出转矩,因此,破断力根本不起作用。
因此,存在这样的问题,即,旋转体在作业装置在斜坡上工作时自由运动,或者旋转体通过很小的挖掘反作用力而运动,工作效率降低。
此外,在已知技术中还存在如下所述的问题。
(i)一旦停机制动器被释放,就不可能控制旋转体。因此,例如,当在挖沟时挖掘平直壁表面或形成平直壁表面时候,旋转体通过挖掘反作用力的旋转分力自由运动,工作效率降低。
(ii)如果路面倾斜或在不平的道路上,当行进时,由于作用在上旋转体或作业装置上的惯性力而产生了旋转外力。在这种情况下,如果停机制动器没有被释放,过大的反作用力就起作用,如果停机制动器被释放,旋转体就自由旋转。
所以,本发明提供一种旋转式作业机,即使在作业装置工作时,也仅是在起作用的旋转外力实际上会损坏停机制动器和旋转驱动部件的情况下,其才释放该停机制动器。
另外,本发明提供一种旋转式作业机,在这样的情况下,即采用了一种在作业装置或行进装置进行工作时释放停机制动器的系统,该旋转式作业机能够在释放制动的状态下控制旋转体的运动。
为了解决以上所述问题,本发明采用了下面的结构。
即,一种旋转式作业机包括:下行进体;可旋转地安装在该下行进体上的上旋转体;连接于该上旋转体的作业装置;驱动并旋转该上旋转体的旋转电动机;用于控制上旋转体的旋转操作的旋转操作装置;用于控制该作业装置的作业操作的作业操作装置;用于停止并保持上旋转体的停机制动器;和用于控制该停机制动器的工作的控制装置。当作业操作装置在旋转操作装置没有工作的状态下进行工作时,如果基于作业操作装置的工作的作业装置的输出大于或等于一设定值,该控制装置适于释放停机制动器的工作。
此外,一种旋转式作业机包括:下行进体;可旋转地安装在该下行进体上的上旋转体;连接于该上旋转体的作业装置;驱动并旋转该上旋转体的旋转电动机;用于控制下行进体的行进操作的行进操作装置;用于控制上旋转体的旋转操作的旋转操作装置;用于控制作业装置的作业操作的作业操作装置;用于停止并保持上旋转体的停机制动器;和用于控制该停机制动器的工作的控制装置。如果作业操作装置和行进操作装置中至少之一在旋转操作装置没有工作的状态下进行工作,该控制装置适于释放停机制动器的工作,并控制该旋转电动机以使得该上旋转体保持在停止状态。
依照本发明,仅仅在作业装置的输出大于或等于一设定值的情况下才释放该停机制动器。
因此,在停机制动器和旋转驱动部件不会处于受到挖掘反作用力(旋转外力)损坏的危险时,例如,当作业装置在空中运动时,如果旋转力小并且停机制动器和旋转驱动部件不会处于被损坏的危险,通过设置一设定值以使停机制动器不被释放,可以减少因为不能克服小的挖掘反作用力而使得旋转体在斜坡上自由旋转或作业效率降低的问题。
此外,依照本发明,当停机制动器在操作期间或行进操作期间被释放时,执行电动机控制(速度反馈控制或位置反馈控制),以停止和保持该上旋转体。因而,如上所述,当防止由于旋转外力引起的停机制动器等等的损坏时,作为附加特征,该旋转电动机可以克服该旋转外力。
因此,当进行挖掘时或由于倾斜或不平的路面引起上旋转体意外旋转时,可通过承受挖掘反作用力而提高操作效率。
附图说明
图1是应用了本发明的铲车的示意性侧视图。
图2是本发明第一实施例的方框图。
图3是用于解释依照本发明实施例的处理流程图。
图4是用于解释依照本发明的第二实施例的处理流程图。
图5是用于解释依照本发明的实施例的旋转电动机的转数与转矩之间的关系的视图。
图6是用于解释依照本发明的第三实施例的处理流程图。
图7是用于解释依照本发明的第四实施例的处理流程图。
图8是用于解释依照本发明的第五实施例的处理流程图。
图9是本发明的第六实施例的方框图。
图10是用于解释依照本发明的实施例的处理流程图。
具体实施方式
第一实施例(见图1-3)
图1显示了应用了本发明的铲车。
在该铲车中,上旋转体2可绕一竖直轴线旋转,并安装在履带式下行进体1上。在上旋转体2上安装有作业(挖掘)装置9,所述作业装置9具有吊杆3、臂4、铲斗5和驱动各吊杆、臂和铲斗的油缸(液压缸)6、7和8。
图2显示了该铲车的整体驱动系统和整体控制系统的方框图。
如附图所示,液压泵11由发动机10驱动,所排出的油通过控制阀14供给至各吊杆、臂和铲斗的油缸6、7和8并供给至用于驱动该下行进体1的右行进马达12和左行进马达13。虽然为每个致动器都提供了这种控制阀,但在这种情况下,其显示为一个阀框。
此外,发电机16通过加速机构15连接到发动机10上,发电机16产生的电能通过逆变器19供给至旋转电动机20,同时通过控制电压和电流的控制装置17对蓄电池18充电。
这样,旋转电动机20旋转,旋转力通过旋转减速机构21传递给上旋转体2,旋转体2向左或向右旋转。
在旋转加速时,旋转电动机20被反向变流控制,并且通过发电机16和蓄电池18中的至少一种电能来执行电动机工作;在旋转减速时,旋转电动机20被反向变流控制并执行发电机工作,并且在蓄电池18中充入由再生发电过程所产生的电能。
为旋转电动机20提供了产生机械制动力的停机制动器(机械制动器)22。
停机制动器22构造为液压式被动制动器。也就是说,如果电磁开关阀24根据控制器31的指令切换到开关位置b,如果液压从制动液压源23通过电磁开关阀24传入停机制动器22,则制动力被解除,在这种状态下执行旋转操作。另外,如果电磁开关阀24切换到开关位置a,停机制动器22的杆侧液压排放至箱T,则由停机制动器22产生机械制动力。
另一方面,作为操作装置,为各吊杆、臂和铲斗的油缸6-8的各个致动器、右行进马达12、左行进马达13以及旋转电动机20的致动器提供了杠杆式操作部件(例如电位器)25-30。在下文中,在出现的场合,它们被称为吊杆操作部件、臂操作部件、铲斗操作部件、左行进操作部件、右行进操作部件和旋转操作部件。另外,这些操作被称为吊杆操作、臂操作、铲斗操作、左行进操作、右行进操作和旋转操作。
来自每个操作部件25-30的操作信号(包括不操作的信号)被传输到控制器31,控制器31与逆变器19一起构成控制装置,根据除了旋转操作信号之外的操作信号,从控制器31输出对应于各操作方向和操作量的作业指令信号至控制阀14。于是,各吊杆、臂的油缸6、7和8以及右行进马达12、左行进马达13的工作根据这些操作而得以控制。
此外,根据旋转操作信号,从控制器31发出指令至逆变器19,并根据指令,执行旋转电动机20的加速/减速控制。
此外,在该作业机中,设置有检测臂和铲斗的两个油缸7和8的缸盖侧压力和杆侧压力的压力传感器32-35,压力传感器32-35的压力信号发送给控制器31。
控制器31用“缸盖侧受压面积×缸盖侧压力-杆侧受压面积×杆侧压力”来计算在臂和铲斗的两个油缸7和8中所产生的油缸推力。
此外,提供编码器36作为检测旋转电动机20的旋转位置并发送给控制器31的装置。
例如,编码器36检测旋转电动机20中定子和转子的相对位置(角度),并且,在控制器31中,根据检测信号来确定是否在旋转停止状态。如第二实施例之后的说明中所述,编码器信号可以作为上旋转体2在旋转停止状态下的旋转位置信号。此外,由该位置信号可以计算出电动机速度。
根据上述各个信号,控制器31在下述条件下输出用于释放停机制动器的指令信号至电磁开关阀24,其中这些条件包括:
a)不存在旋转操作
b)处于旋转停止状态
c)臂和铲斗两者的操作中至少存在一个
d)油缸推力大于或等于一设定值(例如由减压阀(未显示)的压力所确定的最大推力的50%)
参考图3的流程图描述了工序。
在控制的“开始”,在步骤S1,确定是否存在臂操作,在“否”的情况下,进一步在步骤S2确定是否存在铲斗操作。在该步骤为“否”的情况下,因为不需要控制,所以该流程进行到“返回”。
在步骤S1为“是”的情况下以及在步骤S2为“是”的情况下分别确定臂油缸推力和铲斗油缸推力是否大于或等于设定值FA和FB(步骤S3和S4),在“否”的情况下,该流程进行到“返回”,在“是”的情况下,该流程进行到步骤S5。
在步骤S5确定是否存在旋转操作,在下一步骤S6确定旋转电动机20是否处于停止状态。只有在两个步骤都为“是”的情况下,才在步骤S7中释放该停机制动器22(在“否”的情况下,该流程进行至“返回”)。
如上所述,当没有执行旋转操作、在旋转电动机20停止的状态下执行作业操作(臂操作和铲斗操作中至少之一)、而且由该操作引起的输出大于或等于设定值的时候,停机制动器22被释放。
因此,可确保防止停机制动器22和旋转驱动部件(旋转电动机20和旋转减速机构21)受到由挖掘引起的旋转外力的损坏。
此外,与作业装置在空中运动的情况一样,在作业操作期间,在旋转力很小从而不会损坏停机制动器22和旋转驱动部件的情况下,该设定值被确定成使得停机制动器22不被释放,因而,可以减轻因为不能克服小的挖掘反作用力而使得上旋转体在斜坡上自由移动或作业效率降低的问题。
在进行挖掘时,通常不会产生作用于臂和铲斗的两个油缸7和8的杆侧的压力。因此,只有缸盖侧压力被传感器32和34检测到,根据该结果可以计算出油缸推力。
第二实施例(见图4和5)
在下面的各实施例中,只描述与第一实施例的区别。
在第一实施例中,主要目的是,当执行臂操作和铲斗操作中至少之一时,通过仅仅执行停机制动器22的释放来保护停机制动器22和旋转驱动部件。另一方面,在第二实施例及其它实施例中,在释放停机制动器22的同时,沿着一方向控制该旋转电动机20,从而使该上旋转体2保持在停止状态下。
另外,在第二至第五的各个实施例中,由于硬件本身的配置类似于第一实施例,仅仅控制内容不同,所以使用了图2所示的硬件配置,仅仅描述控制内容。
在第二实施例中,如图4所示,在步骤S11确定是否存在臂操作,在步骤S12确定是否存在铲斗操作。如果两个步骤都是“是”,则进一步在步骤S13确定是否存在旋转操作,在步骤S14确定旋转电动机20是否停止。
在两个步骤都为“是”的情况下,在步骤S15,停机制动器22被释放。
进一步,在步骤S16,通过目标速度(0)与实际速度(基于编码器36的位置信号)之间的偏差,来执行旋转电动机20的速度反馈控制(即反馈控制),使得在控制器31中所计算出的电动机速度(实际速度)将成为0。
在该控制方法中,即使在由臂操作或铲斗操作产生的旋转外力大于电动机转矩的情况下,由所产生的外力使旋转电动机20运动,旋转电动机20也被控制成使得运动部件的速度始终为0。
通过该电动机控制,旋转电动机20可以执行克服该旋转外力的反作用力。因此,在进行挖掘时,挖掘反作用力得到平衡,作业效率得到提高,或者在行进时,可以防止由斜坡或承载表面的不均匀所引起的上旋转体2的意外旋转。
另外,通过速度反馈控制,由于旋转电动机20产生的用于克服旋转反作用力的控制力起作用,例如可以在沿目标方向挖掘沟槽时提高作业效率。
当执行电动机控制时,优选是将旋转电动机20的最大转矩限制成小于或等于旋转驱动转矩的最大值。
图5显示了旋转电动机20在旋转加速和减速的时候的转数N和转矩T之间的关系。在附图中,如果转数N位于正区域,它表示向左旋转,如果转数N位于负区域,它表示向右旋转。第一和第三象限显示了在通过电动机转矩进行旋转加速的时候的转数N和转矩T之间的关系,第二和第四象限显示了在通过电动机转矩进行旋转减速的时候的转数N和转矩T之间的关系,
在附图中,粗线所画的特征显示了这样的情况,即,在旋转时,旋转电动机20被控制在最大转矩To和-To,并且,在旋转驱动时,旋转电动机20被控制在最大转矩To和-To的范围内。
在本实施例中,在电动机控制与停机制动器释放一起被执行的时候,旋转电动机20的最大转矩也被限制为小于或等于由粗线所画出的旋转驱动转矩的最大值。
这样,可以防止过大转矩作用在旋转驱动部件上。
第三实施例(见图6)
在第三实施例中,替代第二实施例所述的速度反馈控制,采用了位置反馈控制。
即,步骤S21至S24类似于图4中的步骤S11至S14,在步骤S25,存储当时的旋转位置,在步骤S26,停机制动器22被释放。然后,在步骤S27执行位置反馈控制,即,基于编码器36的位置信号,通过在控制开始时的位置与以后检测到的位置的偏差,执行反馈控制。
在该控制方法中,即使在外力大于电动机转矩的情况下,由外力使旋转电动机20运动,那么如果该外力变得比电动机转矩更小,旋转电动机20则被控制返回到目标位置。
依照该位置反馈控制,像第二实施例一样,在进行挖掘时,挖掘反作用力得到平衡,作业效率得到提高,或者在行进时,可以防止由于斜坡或承载表面的不均匀引起的上旋转体2的意外旋转。另外,可以提高预定形状的挖掘作业(例如沟槽挖掘)中的挖掘作业效率。
此外,在行进时,即使由于惯性力而发生旋转,当行进结束时也会返回到初始旋转位置。
在该位置反馈控制中,像第二实施例一样,优选是在进行电动机控制时将旋转电动机20的最大转矩限制为小于或等于旋转驱动转矩的最大值。
第四实施例(见图7)
在第四实施例中,以第三实施例为基础,将第一实施例所采用的臂和铲斗的两个油缸7和8的油缸推力大于或等于设定值的条件添加到了停机制动器释放和电动机控制的启动条件中。
也就是说,在步骤S31和S32,确定是否存在臂操作和铲斗操作。如果存在臂操作,则在步骤S33比较油缸推力和设定值,如果存在铲斗操作,则在步骤S34比较油缸推力和设定值。
在该步骤为“是”的情况下,分别在步骤S35确定是否旋转操作,在步骤S36确定旋转电动机20是否停止。在这两个步骤都为“是”的情况下,在步骤S37-S39,存储旋转位置,释放停机制动器,并执行旋转电动机20的位置反馈控制。
可以采用第二实施例中的速度反馈控制来替代该位置反馈控制。
依照第四实施例,除第三(或第二)实施例中的效果之外,还可以获得第一实施例的效果,即,在旋转力很小而不会损坏停机制动器22和旋转驱动部件的情况下,停机制动器22没有被释放,因而,可以减轻因为不能克服小的挖掘反作用力而使得上旋转体2在斜坡上自由移动或作业效率降低的问题。
第五实施例(见图8)
在斜坡或不均匀的承载表面上,当行进时,即使没有执行臂操作或铲斗操作,旋转外力也作用在上旋转体2上。于是,过大的转矩作用在停机制动器22和旋转驱动部件上,可能会损坏它们。
因此,在第五实施例中,不但在执行臂操作或铲斗操作时,而且当执行行进操作时,也要执行用于停止和保持上旋转体2的电动机控制(在这种情况下为位置反馈控制),同时将停机制动器22释放。
即,除了在步骤S41确定是否存在臂操作以及在步骤S42确定是否存在铲斗操作之外,还要在步骤S43根据右行进操作部件28和左行进操作部件29的操作信号来确定是否存在行进操作。
在这些步骤中,在某个步骤为“是”的情况下,确定是否存在旋转操作(步骤S44)以及确定旋转电动机20是否停止(步骤S45)。在这两个步骤都为“是”的情况下,分别执行旋转位置的存储(步骤S46)、停机制动器22的释放(步骤S47)以及位置反馈控制(步骤S48)。
通过该控制,在行进的时候也可以获得类似于第二至第四各个实施例的效果。
可以采用速度反馈控制替代位置反馈控制。此外,像第四实施例一样,对于臂操作和铲斗操作,依据所产生的油缸推力,可以确定是否要执行停机制动器释放和电动机控制。
第六实施例(见图9和10)
在第二至第五各个实施例中,要预先确定速度反馈控制或位置反馈控制中的一种来作为在释放停机制动器22时执行的电动机控制。另一方面,在第六实施例中,操作者可以从这两种控制方法中任意地选择一种电动机控制模式。
也就是说,如图9所示,设置有模式选择器开关37,用于在两种模式之间切换控制模式并控制该控制器31,并且通过控制器31而以所选择的模式执行电动机控制。
参考图10来描述该控制内容。该实施例是基于图8所示的第五实施例(行进操作也被包括在停机制动器释放和电动机控制的条件中),步骤S51-S55类似于图8所示的步骤S41-S45。
在步骤S56,确定所选择的模式是否为位置反馈控制。在为“是”(位置反馈控制)的情况下,在步骤S57存储旋转位置,在步骤S58释放停机制动器22,在步骤S59执行位置反馈控制。
另一方面,在步骤S56为“否”(速度反馈控制)的情况下,在步骤S60释放停机制动器22,在步骤S61执行速度反馈控制。
这样,由于控制模式可以在两种控制方法即速度反馈控制和位置反馈控制之间任意选择和切换,可以选择适合于作业类型的方法或选择操作者偏爱的方法,因此,可以提高作业效率和操作性。
如上所述,在本发明中,停机制动器只在作业装置的输出大于设定值的情况下才被释放。
此外,在本发明中,当在作业操作或行进操作时释放停机制动器的时候,进行电动机控制(速度反馈控制或位置反馈控制)来停止和保持该上旋转体。
在这种情况下,依照权利要求3的发明,由于如果旋转力较小并且该力像作业装置在空中运动的情况那样不起到作用,停机制动器仍然工作,旋转体不能在斜坡等上面自由地运动,没有执行不必要的电动机控制。
此外,依照权利要求4的发明,作为电动机控制,执行速度反馈控制来消除目标速度(0)与实际速度的偏差。在该控制方法中,即使在旋转外力大于电动机转矩的情况下由外力使电动机运动,运动部件的速度也被控制成始终为0。
所以,依照该控制方法,特别是在进行挖掘时,旋转电动机在旋转方向上将控制力作用在挖掘反作用力上,提高了在目标方向上挖掘沟槽的情况下的作业效率。
另一方面,依照权利要求5的发明,作为电动机控制,执行位置反馈控制来消除目标位置和实际位置的偏差。在该方法中,即使在外力大于电动机转矩的情况下由外力使电动机运动,如果外力变得比电动机转矩更小,它也被控制返回到目标位置。
通过这种控制方法,可提高预定形状的挖掘作业(例如沟槽挖掘)的效率。此外,即使在行进期间由于惯性力发生旋转,当行进结束时也会返回到初始旋转位置。
依照权利要求6的发明,可以在上述两种方法之间任意选择一种适合作业的控制方法(速度反馈控制模式或位置反馈控制模式)并切换到该方法。
依照权利要求7的发明,在上述电动机控制中,由于旋转电动机的最大转矩限制为小于或等于旋转驱动转矩的最大值,可以防止过大的转矩作用于旋转驱动部件。
工业实用性
依照本发明,在具有停机制动器的作业机中,实现了这样的有益效果,即,仅在可能损坏停机制动器和旋转驱动部件的旋转外力实际上起作用的情况下,才释放该停机制动器。

Claims (7)

1.一种旋转式作业机,其包括:下行进体;可旋转地安装在该下行进体上的上旋转体;连接于该上旋转体的作业装置;驱动并旋转该上旋转体的旋转电动机;用于控制上旋转体的旋转操作的旋转操作装置;用于控制该作业装置的作业操作的作业操作装置;用于停止并保持上旋转体的停机制动器;和用于控制该停机制动器的工作的控制装置;
其中,当作业操作装置在旋转操作装置没有工作的状态下进行工作时,如果基于作业操作装置的工作的作业装置的输出大于或等于一设定值,该控制装置适于释放停机制动器的工作。
2.一种旋转式作业机,其包括:下行进体;可旋转地安装在该下行进体上的上旋转体;连接于该上旋转体的作业装置;驱动并旋转该上旋转体的旋转电动机;用于控制下行进体的行进操作的行进操作装置;用于控制上旋转体的旋转操作的旋转操作装置;用于控制作业装置的作业操作的作业操作装置;用于停止并保持上旋转体的停机制动器;和用于控制该停机制动器的工作的控制装置;
其中,如果作业操作装置和行进操作装置中至少之一在旋转操作装置没有工作的状态下进行工作,该控制装置适于释放停机制动器的工作,并控制该旋转电动机以使得该上旋转体保持在停止状态。
3.如权利要求2所述的旋转式作业机,其中,除了作业操作装置进行工作之外,如果根据作业操作装置的工作的输出大于或等于一设定值,该控制装置适于释放停机制动器的工作并控制该电动机。
4.如权利要求2或3所述的旋转式作业机,其中,作为一种电动机控制,该控制装置适于执行对旋转电动机的速度反馈控制,用于将旋转速度控制为零。
5.如权利要求2或3所述的旋转式作业机,其中,作为一种电动机控制,该控制装置适于执行对旋转电动机的位置反馈控制,用于保持一旋转位置,在该旋转位置,停机制动器的工作被释放。
6.如权利要求2或3所述的旋转式作业机,还包括模式切换装置,其中,该模式切换装置适于通过控制装置在下列模式之间切换电动机控制的模式:
A)速度反馈控制模式,用于执行对旋转电动机的速度反馈控制,以使旋转速度变成零;或
B)位置反馈控制模式,用于执行对旋转电动机的位置反馈控制,以保持该旋转位置,在该旋转位置,停机制动器的工作被释放。
7.如权利要求4-6中任一项所述的旋转式作业机,其中,该控制装置适于在进行电动机控制时将旋转电动机的最大转矩限制为小于或等于旋转驱动转矩的最大值。
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