JP2004225868A

JP2004225868A - 作業機械の油圧制御装置

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Publication number: JP2004225868A
Application number: JP2003017396A
Authority: JP
Inventors: Naoki Sugano; 直紀菅野; Etsujiro Imanishi; 悦二郎今西; Takao Nanjo; 孝夫南條
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-27
Also published as: JP4003644B2

Abstract

【課題】安定した運転を維持しつつポンプ流量を節減することができる作業機械の油圧制御装置を提供する。
【解決手段】作動油を供給する可変容量形ポンプと、操作体によって操作されそのポンプから吐出された作動油を制御するコントロール弁と、このコントロール弁からの作動油によって作動するアクチュエータと、このアクチュエータに流入する作動油の一部をタンクに戻す流路に設けられ戻りの作動油流量を絞るブリードオフ手段と、可変容量形ポンプおよびブリードオフ手段を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、操作体が操作されてアクチュエータ要求流量Ｃ１がポンプ最小流量Ｌ１を超えるときにブリードオフＣ２′を閉じ切るとともに、ポンプ最小流量Ｌ１を超えた後は可変容量形ポンプのポンプ流量Ｃ５を、操作体の操作量に応じて所定量減少させるように構成されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベルやクレーンなどの油圧で制御される作業機械に関し、より詳しくはポンプ流量を節減することのできる油圧制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
油圧式作業機械の油圧回路においては、流量制御用としてブリードオフ回路が広く用いられている。このブリードオフ回路は、例えば、ポンプとタンクを連通するブリードオフ絞りをコントロール弁に設けたものでは、レバー操作量に応じてコントロール弁のスプールに形成されているブリードオフ絞りの開度が変化するように構成されている。
【０００３】
これにより、レバー操作を行うと、ポンプからアクチュエータを介さずに直接タンクに流れる余剰流量がレバー操作に応じて変化するため、アクチュエータへの流入流量が変化し、その結果、アクチュエータ速度を制御することができる。しかしながら、このようなブリードオフ回路では、上記余剰流量によるブリードオフ損失が大きく、エネルギー効率が低いという問題がある。
【０００４】
このブリードオフ流量を低減すれば、エネルギー効率を高めることができることは容易に考えられる。しかしながら、ブリードオフ回路は、回路内の圧力変動を低減し安定化させる機能を有しているため、単純にブリードオフ流量を減少させると、回路内の圧力変動が増大し安定性が損なわれることになる。
【０００５】
この問題に対して、負荷圧を検出してポンプ流量制御を行うことで、ブリードオフ損失を低減できるようにした油圧システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特公平３−６４６５５号公報（第（１３）頁、第６図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の油圧システムでは、負荷圧が大きい場合、負荷圧を検出してポンプ流量を低減するようになっているため、負荷圧が大きくアクチュエータ速度が小さい場合には、ポンプ流量が低減されブリードオフにおける余剰流量および損失を低減することができる。
【０００８】
しかしながら、負荷圧が低い場合にはポンプ流量が低減しないため、レバー操作量が小さくアクチュエータ速度が小さい領域ではブリードオフによって余剰流量が発生し、余剰流量およびエネルギー損失を十分に低減させることができないという問題がある。また、この油圧システムでは、負荷圧が高くなるとポンプ流量が急激にカットされるため、圧力変動が発生しやすく安定性が低いという問題もある。
【０００９】
本発明は以上のような従来の油圧システムにおける課題を考慮してなされたものであり、安定した運転を維持しつつポンプ流量を節減することができる作業機械の油圧制御装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、作動油を供給する可変容量形ポンプと、操作体によって操作されそのポンプから吐出された作動油を制御するコントロール弁と、このコントロール弁からの作動油によって作動するアクチュエータと、このアクチュエータに流入する作動油の一部をタンクに戻す流路に設けられ戻りの作動油流量を絞るブリードオフ手段と、可変容量形ポンプおよびブリードオフ手段を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、操作体が操作されてアクチュエータ要求流量がポンプ最小流量を超えるときにブリードオフを閉じ切るとともに、ポンプ最小流量を超えた後は可変容量形ポンプのポンプ流量を、操作体の操作量に応じて所定量減少させるように構成されている作業機械の油圧制御装置である。
【００１１】
本発明に従えば、例えば操作レバーなどの操作体が操作され、アクチュエータ要求流量がポンプ最小流量を超える位置に操作されると、まずブリードオフが閉じ切られて余剰流量がゼロとなりブリードオフ損失が抑制される。さらに深く操作されると、ポンプ圧およびレバー操作量に応じて所定の式により計算される流量だけポンプ流量が減少するように可変容量形ポンプが制御される。その結果、ブリードオフ損失を低減させるにあたりブリードオフを閉じ切っても圧力変動を発生することなく安定した運転を行うことができるようになる。
【００１２】
また、本発明において、操作体の最大操作位置までブリードオフが開いていると仮定した場合の第一のブリードオフ流量計算式とポンプ最小流量を超えるときにブリードオフを閉じ切る第二のブリードオフ流量計算式とから求められるブリードオフ流量の差分を上記所定量とすれば、最大操作量までブリードオフが閉じられない従来のブリードオフ制御と等価なアクチュエータ供給流量を得ることができるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る油圧制御装置の油圧回路を示したものである。
【００１５】
１はアクチュエータとしての油圧シリンダ２に作動油を供給する可変容量形ポンプであり、モータ１ａによって駆動する。
【００１６】
３はその油圧シリンダ２への供給流量を制御するためのコントロール弁であり、４はそのコントロール弁３に内蔵され、ポンプ１とタンク５とを連通する油路上に設けられたブリードオフ絞り（ブリードオフ手段）である。
【００１７】
６はポンプ１と油圧シリンダ２を連通する油路上に設けられたメータイン絞りであり、７は油圧シリンダ２とタンク５とを連通する油路上に設けられたメータアウト絞りである。
【００１８】
操作レバー（操作体）８を操作すると、リモコン弁９から導出されるパイロット圧Ｐ１（またはＰ２）がパイロットライン１０ａ（または１０ｂ）を通じてコントロール弁３のいずれか一方のパイロットポートに作用し、コントロール弁３が中立位置ａからｂ位置、またはｃ位置に切り換わるようになっている。
【００１９】
コントロール弁３がｂ位置に切り換わると、油圧ポンプ１からの作動油が給排路１１の一方の給排路１１ａを通じて油圧シリンダ２に供給され、戻油は他方の給排路１１ｂを通じてタンク５に戻る。
【００２０】
また、ｃ位置に切り換わると、作動油が給排路１１ｂを通じて油圧シリンダ（アクチュエータ）２に供給され、戻油は給排路１１ａを通じてタンク５に戻る。
【００２１】
１２ａ，１２ｂはポートリリーフ弁であり、１３ａ，１３ｂはメークアップ用チェック弁である。このメークアップ用チェック弁１３ａ，１３ｂは、アクチュエータ消費流量に対してポンプ流量が不足している場合に、給排路１１内がキャビテーションを起こすことを防止するためのものであり、全体としてブレーキ弁を構成する。
【００２２】
１４は回路圧を一定に保つためのメインリリーフ弁であり、１５はそのメインリリーフ弁１４の上流側圧力としてのポンプ圧Ｐｐを検出するための圧力センサである。
【００２３】
１６ａおよび１６ｂは、上記パイロットライン１０ａおよび１０ｂのパイロット圧を検出する圧力センサであり、この圧力センサ１６ａ，１６ｂから出力される圧力信号と上記圧力センサ１５から出力される圧力信号はそれぞれコントローラ（制御手段）１７に与えられる。
【００２４】
このコントローラ１７の制御動作を以下に説明する。
【００２５】
図２（ａ）は比較例として示した従来のブリードオフ制御であり、同図（ｂ）は本実施形態によるブリードオフ制御を示している。なお、両図において、上段はブリードオフ開口特性を示し、下段はレバー操作量に対するアクチュエータ流量特性をそれぞれ示している。
【００２６】
図２（ａ）において、Ｃ１はアクチュエータ要求流量の変化を示しており、従来のブリードオフ制御では、レバー操作量が大きくなるに従ってアクチュエータ要求流量が増加し、Ｃ２に示されるようにレバー操作量がＬｍａｘとなった時に閉じ切るように構成されている。
【００２７】
これに対し、本実施形態によるブリードオフ制御では、図２（ｂ）に示すように、アクチュエータ要求流量が可変容量ポンプ１の最低吐出量Ｑ１より大きくなるレバー操作量Ｌ１の位置において、Ｃ２′に示されるようにブリードオフ絞りが閉じきるように構成されている。
【００２８】
このようにブリードオフを途中で閉じ切ると、流量制御ができなくなるが、本実施形態ではポンプの最低吐出量Ｑ１以上についてはブリードオフ制御に代えてポンプ制御を行うようにしている。
【００２９】
すなわち本実施形態は、最低吐出量Ｑ１を下回るようなポンプ制御が行えない範囲についてはブリードオフ制御を行い、最低吐出量Ｑ１以上の範囲についてはポンプ制御を行うことによってポンプ流量の節減を図るようになっている。
【００３０】
次にその可変容量ポンプ１の流量制御について説明する。
【００３１】
従来、一般的に用いられている油圧回路では、図３（ａ）に示したようにレバー操作量がフルレバーＬｍａｘとなった時に閉じきる方式が用いられている。この場合、ブリードオフ流量Ｑｒｅｆは、次式（第一のブリードオフ流量計算式）により求められる。
【００３２】
Ｑｒｅｆ＝Ｃｖ・Ａｒｅｆ・√Ｐ（１）
ここで、Ｃｖ：流量係数Ａｒｅｆ：従来のブリードオフ開口面積（図３）、Ｐ：ポンプ圧である。
【００３３】
これに対して、本実施形態によるブリードオフ流量Ｑは次式（第二のブリードオフ流量計算式）により求められる。
【００３４】
Ｑ＝Ｃｖ・Ａ・√Ｐ（２）
ここで、Ａ：本発明のブリードオフ開口面積（図２）である。
【００３５】
本実施形態ではブリードオフを途中で閉じ切るため、Ａ＜Ａｒｅｆの関係が成り立つ。
【００３６】
したがって、ポンプ流量は次式のように与えられる。
【００３７】
Ｑｐ＝Ｑｐｒｅｆ − （Ｑｒｅｆ −Ｑ）＝Ｑｐｒｅｆ −（Ａｒｅｆ −Ａ）・Ｃｖ・√Ｐ（３）
ただし、Ｑｐｒｅｆは従来の方式によるポンプ流量である。
【００３８】
次に本発明の効果について図３および図４を参照しながら説明する。
【００３９】
図３はブリードオフ制御を説明するために図１の油圧回路を簡略化したものである。同図（ａ）において、アクチュエータへの流入流量Ｑｍｉは、従来の方法では次式のようになる。
【００４０】
Ｑｍｉ１＝Ｑｐｒｅｆ−Ｑｒｅｆ（４）
一方、本発明によるアクチュエータの流入流量は、同図（ｂ）に示すように次式のようになる。
【００４１】
Ｑｍｉ２＝Ｑｐ−Ｑ（５）
ここで、Ｑｐについては（３）式のように定義されるため、その（３）式を式（５）に代入すると次式が得られる。
【００４２】
Ｑｍｉ２＝Ｑｐｒｅｆ−（Ｑｒｅｆ−Ｑ）−Ｑ＝Ｑｐｒｅｆ−Ｑｒｅｆ（６）
すなわち、Ｑｍｉ１＝Ｑｍｉ２となり、本実施形態のアクチュエータ流入流量は従来の方法と同等となる。このことより、本実施形態によれば、レバー操作に対してアクチュエータは従来と同等の動きが得られる。換言すれば、従来と同じ操作性が得られることになる。
【００４３】
図４は、本実施形態によるブリードオフ制御（同図（ｂ）参照）を従来のブリードオフ制御（同図（ａ）参照）と対比して示したものである。なお、各グラフにおいて図２と同じ要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４４】
図４（ａ）中段において、従来のブリードオフ損失については、Ｃ３に示すように、フルレバーＬｍａｘとなるまでポンプ流量の方がアクチュエータ要求流量よりも大きく、このため図４下段に示すように、フルレバーＬｍａｘとなるまでブリードオフ流量Ｃ４が０とならず、ブリードオフ損失が大きい（図中、斜線部分Ｓ１参照）。
【００４５】
これに対して、本実施形態によれば、図４（ｂ）中段に示すようにレバー操作量がＬ１以上の領域ではポンプ流量とアクチュエータ要求流量が一致するため（Ｃ１，Ｃ５参照）、図４（ｂ）下段に示すようにブリードオフ流量Ｃ６が０となり、ブリードオフ損失を低減させることができる（図中、斜線部分Ｓ２参照）。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、請求項１の本発明によれば、制御手段は、操作体が操作されてアクチュエータ要求流量がポンプ最小流量を超えるときにブリードオフを閉じ切るとともに、ポンプ最小流量を超えた後は可変容量形ポンプのポンプ流量を、操作体の操作量に応じて所定量減少させるように構成されているため、操作量の小さい範囲についてブリードオフを閉じ切ることにより余剰流量をゼロとすることができ、また、操作量が大きい範囲については可変容量形ポンプを制御してポンプ流量を節減することができる。その結果、ブリードオフを閉じ切っても圧力変動を発生することなく安定した運転を行うことができ、かつ余剰流量を減らしてエネルギー効率を向上させることができる。
【００４７】
請求項２の本発明によれば、最大操作量までブリードオフが閉じられない従来のブリードオフ制御と等価なアクチュエータ供給流量を得ることができるため、従来のブリードオフ制御と同じ操作性を維持しながらエネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る油圧制御装置の構成を示す油圧回路図である。
【図２】（ａ）は比較例としての従来のブリードオフ開口特性図、（ｂ）は本発明によるブリードオフ開口特性図である。
【図３】（ａ）は比較例としての従来のブリードオフ説明図、（ｂ）は本発明によるブリードオフ説明図である。
【図４】ブリードオフ損失を比較したものであり、（ａ）は従来のブリードオフ流量グラフ、（ｂ）は本発明によるブリードオフ流量グラフである。
【符号の説明】
１可変容量形ポンプ
２油圧シリンダ
３コントロール弁
４ブリードオフ絞り
５タンク
６メータイン絞り
７メータアウト絞り
８操作レバー
９リモコン弁
１０パイロットライン
１１給排路
１４メインリリーフ弁
１５圧力センサ
１７コントローラ

Claims

作動油を供給する可変容量形ポンプと、操作体によって操作されそのポンプから吐出された作動油を制御するコントロール弁と、このコントロール弁からの作動油によって作動するアクチュエータと、このアクチュエータに流入する作動油の一部をタンクに戻す流路に設けられ戻りの作動油流量を絞るブリードオフ手段と、上記可変容量形ポンプおよびブリードオフ手段を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、上記操作体が操作されてアクチュエータ要求流量がポンプ最小流量を超えるときにブリードオフを閉じ切るとともに、ポンプ最小流量を超えた後は上記可変容量形ポンプのポンプ流量を、上記操作体の操作量に応じて所定量減少させるように構成されていることを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
上記操作体の最大操作位置までブリードオフが開いていると仮定した場合の第一のブリードオフ流量計算式と上記ポンプ最小流量を超えるときにブリードオフを閉じ切る第二のブリードオフ流量計算式とから求められるブリードオフ流量の差分を、上記所定量とする請求項１記載の作業機械の油圧制御装置。