【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大形の４０フィートコンテナのような大重量の鉄道貨物を、従来には実現できなかった能率で短時間に荷役作業ができる新しいタイプの荷役機械や、加速と減速とを繰り返すバスや電車の大型車輌や、その他の大規模油圧装置において、従来はブレーキ熱として大気中に放散されていた運動エネルギーを再貯蔵し、顕著な省エネ効果を実現する革新的な液圧技術に関する。別けても省エネに徹し、エネルギー貯蔵手段としてアキュムレータを活用しポンプを流量制御手段とした新規な液圧回路を基本とする省エネ型大出力液圧駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液圧技術においては、ポンプは液圧の発生手段として専ら使用され、ポンプが接続される液圧回路のポンプの前後の圧力差が極めて高く、ポンプには高い圧力に十分に耐える構造が要求されてきた。更に、液圧回路自体には、ポンプで発生させた高い圧力を圧力制御バルブで一段と低い一定圧力に適度に減圧し、必要となる仕事の大きさや能率の変化に対応するやり方であった。従って、負荷が懸からない時間が長くなっても、ポンプには仕事をさせ続けるという無駄が行われ、作動液はその無駄な仕事に相当する熱によって高温になり、これを冷却するために必要以上に大量の作動液をタンクに蓄えておくことが欠かせなかった。減圧作用を担っている圧力制御バルブも、無駄な熱発生原因の一因を占めていた。このような基本的油圧回路自体は、厳しく省エネ効果が要求される機器では無駄が多すぎて電動機や電磁力駆動装置に太刀打ちできず、工場の生産現場でもＣＯ２削減運動により淘汰される結果、使用されなくなりつつある。即ち、建設機械のような代替技術がない分野以外では、油圧技術自体が時代遅れの過去の技術になってしまった。更に、頻繁に加速と減速とを繰り返すバスや電車の大型車輌では、車輌の運動エネルギーをブレーキにより熱エネルギーに変換して制動力を得る方式なので、エネルギー効率が悪かった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、極めて効率が悪い従来の油圧システムを根本的に改良して、徹底的に無駄なエネルギーの使用をなくし、現在利用可能などの方法よりも効率の良い大出力システムとして利用できるように、安全な水圧方式も含め液圧システムを根本的に変革することである。そして、極めて小さな動力で大出力が要求される液圧駆動システムを制御可能とし、その作業能率をも著しく高められる革新的な新技術を提案することである。具体的な一例として、鉄道貨物荷役作業を数倍に効率化できる門型クレーンの実用化を可能とする外、ブレーキを用いず省エネ効果の高い大型車輌駆動方式を実現することである。
【０００４】
本発明が解決しようとする別の課題は、事故発生時等に液漏れによる危険発生が危惧される油圧システムの配管を省略し、安全な水圧方式も含めてシステムの安全性を高めることができる配管の無い大出力液圧駆動装置を容易に実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためには、革新的な液圧システム全体をシステム設計する必要がある。その第一は、基本中の基本である液圧ポンプをどのように扱うべきであるかという根本問題がある。ポンプは、液圧の圧力発生源となる手段として、誰一人疑う者はいなかった。本発明者は、そのポンプを圧力発生手段としてではなく、バルブに代替する流量制御手段として使用できることを考え付いた。特に、極めて重いクレーンのような機械を高速度で移動したり、４０フィートコンテナ２個分を高速で移動させたりする場合に、大きな加速度を比較的長い時間加え続けて移動速度を高め、次いで大きな減速度を加える必要があるので、エネルギーは出たり、入ったりとプラス・マイナスを繰り返す必要がある。従ってこのエネルギー全体を足し算すれば、プラスとマイナスで合計零となる筈であるが、従来はプレーキ発生熱でこのエネルギーを無駄に熱としていた。大型車輌においても同様である。エネルギー蓄積手段を上手に利用できれば、ポンプによる高圧力発生手段の代わりにエネルギー蓄積手段から一時的にエネルギー供給を受け、次いでブレーキが必要になる時には、大きな運動エネルギーをエネルギー蓄積手段に再び貯えるシステムとすれば、大重量の移動機械を加速するエネルギーとブレーキによって熱に変換される運動エネルギーとは加えると零になるので、従来ポンプによって大きな仕事をさせていた事自体が不要になると共に、極めて大きな省エネ効果を見込める。従来から油圧システムにおいて、アキュムレータがエネルギー蓄積手段として利用されてきた。従来の油圧回路におけるアキュムレータの役割は、大負荷が必要となる時間が短く、中間の低負荷駆動時間が長いような場合に、モーター稼動率の不合理を解消するため比較的長い時間の低負荷時に小容量モーターを連続回転させ、アキュムレータが短時間で放出した高圧の作動液を再び圧力容器内に押し戻すことで、エネルギー使用の合理化を図る考え方である。従って、ポンプはあくまでも圧力発生手段に止まっている。本発明が提案するように、従来のポンプが供給していた高圧の作動液を、全量大容量の高圧アキュムレータから供給されるようにすれば、省エネ油圧システムが容易に実現できる。一旦大きな重量の機械類等の運動エネルギーに変換された、元々高圧アキュムレータに蓄えられていた液圧エネルギーを、再び高圧アキュムレータより僅かに高い略一定圧力の高圧作動液エネルギーに還元し元の高圧アキュムレータ内へ押し戻すには、最初に容積が拡大する側の油圧アクチュエータの作動室に高圧アキュムレータが接続されていたのを、容積が縮小する側の作動室に接続することにすれば実現する。同時に作動液の流量も等減速度運動を実現するように正確に変動回転数制御すれば、作動液は望ましい一定圧力とすることができる。但し、この新方式でもエネルギー効率は１００％にはならないから、機械部品の摺動摩擦や作動液の流動摩擦などで熱と成る極一部のエネルギーは、極低圧アキュムレータから高圧アキュムレータに作動液を押し戻す際に、若干余計な量だけ押し戻すようにしても補填ができるし、他の方法も採用できる。本発明の液圧回路は回路切替え手段をできるだけ省略する方式なので、接続口はそのままとし、実質的に作動室を反対側に接続するのと同様の効果を出すために、油圧アクチュエータと大重量の機械類等の被駆動機構との連結部において、回転方向が逆転する機構を活用すればこの問題が簡単に解決できる。これにエネルギーを出し入れするシステムとして、その流量制御手段にサーボモーター駆動油圧ポンプが活用可能であることを、本発明の特許出願人の一人は以前より提案している。本発明における革新的な技術思想は、このサーボモーター駆動液圧ポンプを、背圧側の低圧回路に接続し、損失エネルギーの補填時以外は原則的に圧力が発生しないように使用することがポイントである。こうすれば従来の油圧システムにおけるエネルギー浪費の一因でもあったバルブ類は、機械停止時のためのノンリークバルブと減速時の方向制御弁だけで良く、アキュムレータもエネルギー蓄積効率が高められるように工夫して使用すると、従来の技術では到達できなかったような、高効率エネルギー蓄積・取出し手段が実現可能となる。
【０００６】
サーボモーター駆動液圧ポンプが無駄な圧力を発生させなくても良いようにするには、大重量の機械や車輌を等加速度で加速させ、ブレーキの代わりに減速度を加える際も等減速度で減速できるように、ポンプ回転数をサーボモーターを使って正確に変動制御する必要がある。油圧アクチュエータのストローク検知手段と組み合せて、サーボ制御を行うことで比較的容易にこのような最適制御が実現可能である。加えて、熱が発生しないのでコンパクトで取り付け姿勢が自由に選べるタンクレスシステムも比較的容易に実現可能である。それには発明者の一人が世界で初めて実現した油圧ロッドレスシリンダーを油圧アクチュエータとして使用すれば、ピストンの左右の作動室面積が同一面積なので、最も好ましい選択となる。加えて従来の油圧タンクの代替に大気圧に近い極低圧の大容量アキュームレータを組み合わせれば、作動液の大気中酸素との接触を断った、スラッジ発生が殆ど無くなる信頼性の高い液圧システムが実現可能となる。但し、極低圧アキュムレータの代わりに、完全密閉型の油タンクを用いても同じ効果が得られる。加えて、サーボモーターの代わりに、回転数、回転方向、回転トルクを同時制御できるモーターであれば支障なく使用でき、例えばＶＶＶＦ方式三相誘導モーターや、ＤＣモーター等も含めて広い範囲のモーターがサーボモーターと同様機能を有するので利用可能であり、本発明で記載するサーボモーターとは、サーボアンプを利用できる比較的広い範囲のモーターであって、特定の種類のモーターに限定するものではない。
【０００７】
例えば鉄道貨物用の大型コンテナを高速度で荷役できる大型の門型クレーンの高速駆動システムを構成する場合、大型クレーンの移動に必要な距離は、略貨車の長さに相当する距離の整数倍となる。大略一定の距離の移動には、ロングストロークが簡単に実現できる油圧ロッドレスシリンダーをアクチュエータとすれば、ピストンストロークを貨車の長さに相当する距離にして大トルク回転力出力を取出せ簡単な制御方式となるが、実際の移動距離はその整数倍の距離であるから、加速終了時点で慣性による移動を原則とし、油圧力を利用する駆動力はその定速度移動の中間期間は休んでしまう方式が合理的である。そこで油圧アクチュエータと被駆動機構との間には動力伝達を自由に断続できるクラッチ機構を設け、慣性による移動期間中は高圧アキュムレータとの接続を実質的に遮断できるようにすれば、実用的なシステムを構成できることになる。加えて、自動的な大形クレーン等の移動に備えて、サーボモータ回転数を正確に制御するために油圧アクチュエータにはそのストロークを検知する装置を設けることが望ましい。この加速期間と減速期間との間は、一定速度回転型の三相交流誘導モータで定速度移動に必要な摩擦エネルギーを補填し、長距離移動を可能とすることができる。バスであればモータの代わりにエンジン駆動となり、電車でもＶＶＶＦ方式に代わってクレーンと同様に、加減速制御電源装置を省略した最も単純な誘導モータ駆動システムとする足掛かりとなる。
【０００８】
液圧システム全体の安全性を高める目的で、配管を極力廃した液圧システムを構成するには、タンクレスシステムが基本となろう。前項でも記載したように、大気圧に極めて近い極低圧の大容量アキュムレータを低圧作動液貯蔵手段とすれば、これを油圧アクチュエータに隣接して配置し、高圧大容量アキュムレータとの最適な配置組み合せを工夫することで、容易にタンクと配管とを省略した油圧システムを実現することができる。
【０００９】
【作用】
本発明では、従来のポンプ駆動による高圧力発生を一切取り止めて、その代わりに高圧大容量アキュムレータからの高圧作動液供給を前提としている。ポンプはサーボモーター駆動で主として流量制御手段に活用する新方式である。基本回路では、低圧回路となる背圧側にポンプが設けられることになり、従来の常識とは全く異なる配置である。本発明の大出力液圧システムは、大重量の機械や荷物や大型車輌を高速度で移動させることを目的とするシステムなので、その移動に必要となるエネルギーは、主として加速に必要となるエネルギーである。移動手段としてレールと鋼製車輪が使用される場合は、摩擦損失が極めて少なく、ブレーキを懸ける直前までの移動エネルギー損失は無視できる程度である。大重量の機械や車輌の加速に使用されるエネルギーは略全部機械や車輌の運動エネルギーに変換されており、この運動エネルギーをブレーキによって熱に変えずに、再び作動液の圧力を高めて高圧アキュムレータ内に押し戻すようにすれば、大変に省エネとなる高速移動用液圧システムが実現できる。そのために本発明では、大重量の機械類等の大きな運動エネルギーを再び作動液の圧力を高めることに利用することで高圧アキュムレータ内に作動液を押し戻すことを可能とする。そのために被駆動機構と油圧アクチュエータとの間の連結部に、回転方向を逆転することができる機構を設けている。この逆転機構を介して減速が必要な後半期には、大重量の機械類等の運動エネルギーがピストンを駆動させ、高圧アキュムレータに作動液を押し戻すように作用する。本発明が世界で始めて提案するブレーキを不要にしてしまう新技術の最大ポイントは、正にこの点の、大重量の移動物体の運動エネルギーが直接ピストンを逆送りさせる動力源となる点である。この場合においても、作動液の流量が加速度的に減少するように制御されれば、無駄な圧力の発生を抑え、略高圧アキュムレータの圧力より僅かに高い程度に保つことができる。サーボモータ駆動液圧ポンプの回転数の高低がもたらす基本作用を説明すると、ポンプの回転数が高すぎる場合は作動液流量が多くなり圧力は低下するので、ピストンを高圧アキュムレータに対抗して移動させることはできなくなる。反対にポンプの回転数が低すぎると、減速度が大きくなり作動液流量は少なくて圧力が上昇するので、エネルギー損失が発生することになる。
【００１０】
本発明によれば、低圧となる背圧側にサーボモーター駆動液圧ポンプを接続しているので、サーボモーターが両接続口の作動液圧力差によってポンプに加わる回転力を全部受け止めることができ、完全に停止させるだけの保持力を発揮すると、ポンプ構造の耐圧性を利用して作動液の移動を略完全に停止させることも可能である。そしてサーボモーターが回転すると、その回転数に比例する量の作動液がどちらかの方向に流れることになる。サーボモーターは正逆両方向の回転制御ができるので、作動液が流れる方向を切り替える方向制御弁の役割も担うことも場合により可能である。本発明はこのサーボモーター駆動方式の液圧ポンプを流量制御手段とする新しい活用方法を提案している。高圧の大容量アキュムレータではなく、これと反対側の極低圧大容量アキュムレータに直結した背圧側に組込む回路構成であるが、作動液の非圧縮性によって、高圧側のアキュムレータから回路に流出する作動液の量は、背圧側の作動液の流量によって制限されることとなるので、サーボモーターの回転数制御装置が直接的に本発明の液圧基本回路における流量制御手段に成り得る。
【００１１】
前記の本発明液圧基本回路におけるエネルギーの流れを考慮すると、従来油圧技術で問題となる作動液の発熱作用が予想される要素は殆ど無くなっている。極めて合理的に貯蔵したエネルギーを短時間で取出して大きな作動力に変え、運動エネルギーに形態を変えた後は、これを再び作動液を高圧とするエネルギーにしてアキュムレータ内に押し戻すから、何度でも再利用することが容易である。作動液は高圧側と低圧側のアキュムレータの間を往復することとなる。この場合に省エネ型の液圧駆動システムを実現するに当り、サーボモーター駆動油圧ポンプをどのように回転制御するかを考慮するには、基本的な物理学上の運動力学についても簡単に触れる必要がある。図１に示すのは、最も合理的に機械類等を移動させる場合の加速度と時間（移動距離）の簡単なグラフである。横軸は時間軸であるが、時間の関数である移動距離をも暗示しており、縦軸は加速度の大きさを示している。一般的な運動力学において、最も合理的な物体の移動は等加速度の移動である。交点の零位置から右方向に横軸に沿って物体を移動する際に、加速期間中は等加速度＋αで、即ち、同じ力で加速し続けて図のａ点で目標速度に到達すれば、運動エネルギーを利用した慣性による移動が任意に利用でき、図のｂ点で加速時とは方向が逆の負の一定の加速度−α即ち、等減速度で減速すれば、無駄が無い最短時間での目的地ｃ点までの移動ができる。アキュムレータから高圧の作動液の供給を受ける場合においても、略一定の圧力の作動液が流れると仮定することが省エネ上望ましいと考えられ、アキュムレータは圧力変動の少ない大容量型が前提となる。ニュートン力学の第二法則から、力は質量と加速度の積となり、等加（減）速度運動では力が一定、即ち作動液圧も一定であれば理想的な加減速システムとなることは自明であろう。従って自然現象で身直に観察される重力による自然落下現象と同様に、速度が加速度的に増減するようにサーボモータ駆動油圧ポンプ流量を制御すれば、無駄な圧力が発生しない好ましい液圧システムが構築できることとなる。このようなサーボモータ回転数の最適制御は、サーボモータ駆動技術では簡単に対処可能である。
【００１２】
本発明の応用例として考慮している大形クレーンでは、大重量の機械類の高速移動のための液圧システムとして、加速期間の後に慣性を利用して減速が必要と成る位置迄の移動を想定している。そのために低摩擦力のレールと鋼製車輪を組み合わせる移動手段が前提となり、エネルギーの使用効率が極めて高い液圧駆動システムとなる。この時、高圧アキュムレータからのエネルギー供給も一時的に休止し、サーボモーターとポンプは実質的に停止して無駄なエネルギー使用を取り止めている。だが、この油圧システムの休止期間中はアクチュエータとしての油圧ロッドレスシリンダーは、機械の被駆動機構との連結を解除する必要がある。そのために両者の間にクラッチ機構を設けて一時的に連結解除する機構を採用している。このことで無駄なエネルギー消費が発生せず、移動距離が長くなっても定速回転電動機などを利用でき、大重量の機械類や車輌などはその運動エネルギーが実質的に減殺せず、９割以上のエネルギー保存も極めて容易い。残る問題は、この１０％程度の損失エネルギーをどのようにして補填すればよいかである。大重量移動物の運動エネルギーを再び高圧作動液エネルギーに変換し、圧力容器内部に押し戻す際に、損失エネルギー分は停止位置が理想的な損失無しの場合に比較して手前の位置になってしまうこととなる。最後の不足ストローク分は、ポンプが極低圧アキュムレータからアクチュエータ内部に、高圧アキュムレータの圧力より僅かに高い圧力まで作動液の圧力を高めて送り込むことが、不足エネルギー補填作用となる。この場合に、時間的に連続した全減速期間中にポンプが平均して仕事を行うようにすれば良く、二段階の減速が行われるのではない。本発明においてポンプが本来の圧力発生手段となるのはこの場合である。一定距離の移動であれば、油圧ロッドレスシリンダーをアクチュエータとして利用すれば、ピストンの全ストロークを所定移動距離に設定することで、ピストンをストローク終点まで移動させれば正確な移動距離を自動的に定める作用がある。この方法は移動距離が短い場合に有効な手段の一つであるが、北米大陸の極めて長い貨物列車向けクレーンには、三相誘導モーターでの移動中に動力を若干多めに供給し増速する簡単な方法もある。車輌の場合でも不足エネルギー補填作用は同様である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、鉄道貨物の荷役作業の著しい高能率化に役立つ様な、大型門型クレーンの高速移動油圧駆動システムへの応用を考慮した形態である。これのみならず、本発明はバスや電車の大型車輌の加減速駆動液圧システム等にも広く応用し、実施することができる。だが、従来の油圧システムと根本的なシステム設計の相違があり、最も基本的な新規液圧回路を基本技術とし、これを応用した大重量の機械類の高速移動用の加減速液圧装置を実施例として詳述する。
【００１４】
【実施例】
図２は、本発明の根幹となる液圧システムの基本的な省エネ型液圧回路図である。液圧アクチュエータとして油圧ロッドレスシリンダーを使用している。その理由は、第一にピストン２の左右に構成される高圧と低圧の両作動室は断面積が全く変らない同一面積であり、ピストン２の移動方向が変っても作動液の流量が同一であるという利点があるからである。更に大きな理由は、大形のクレーンのような機械類の駆動機構として、強力な回転軸出力が直接利用可能である利便性が替え難い利点となっている。回転力を発生する液圧アクチュエータは、油圧ロッドレスシリンダー以外では強力な摩擦面の摺動機構を介して回転力を得ているが、油圧ロッドレスシリンダーは回転力を得るための摩擦機構がなく、簡潔で経済的な効率の高い機構だからである。この点は、潤滑性に乏しい水を作動液とする場合には、何より重要なポイントとなる。別けても鉄道分野のような厳しい安全性確保が求められる場合には決定的に重要である。しかし、危険物扱いとなる作動油を使用しても間題にならない応用例では、潤滑性に優れた作動油使用による一般的な連続回転型の油圧モーターも、減速機構と組み合せた回転型油圧アクチュエータとして利用可能である。油圧ロッドレスシリンダを油圧アクチュエータとすれば、システム全体の安全性に直結する、液圧配管を無くしてしまう上でも、高低の両作動室に直結する内部チェーン自由端の収納ケースが接近しているので、容易に配管を無くす構造を工夫できる。図２では、液圧回路に接続される油圧ロッドレスシリンダーの内部断面のみを略図として示しているが、実際の油圧ロッドレスシリンダーは、ピストン２と反対側の外部で外部チェーンが強力な張力を張りながら直線力を出力できる構造である。シリンダー１はその内部に摺動するピストン２を内蔵している。ピストン２の左右には高圧側と低圧側に接続される二つの作動室が構成されているが、ピストン２に固定された内部チェーン３は内部スプロケット４に噛み合っている。スプロケット４から離脱する内部チェーン３の自由端７は、リンク同士の屈曲が制限されるようなリンク高さより僅かに大きな寸法を有する、チェーン自由端収納ケース６に収納される構造である。スプロケット４は、回転出力軸ともなる軸８に固定されており、軸８は軸封構造を介してハウジング５に軸止されハウジング５の外部に伸びている。
【００１５】
図２に示した液圧基本回路は、これ以上の簡略化は不可能である単純回路である。１１は液圧回路にエネルギーを供給する大容量高圧アキュムレータである。前記の油圧ロッドレスシリンダーのハウジング５に高圧アキュムレータ１１が直接接続される。もう一方の上側のチェーン収納ケース６には油圧ポンプ１２を介して極低圧大容量アキュムレータ１５が接続されている。この油圧ポンプ１２はサーボモーター１３により駆動されるサーボモーター駆動油圧ポンプであり、その二つの接続口に圧力差が発生したとしても、ポンプ１２の回転軸が回転しないようにしっかりと固定するだけの大きな保持力をサーボモーター１３は有している。このサーボモーター１３はサーボ制御装置１４により駆動され、制御される。更に、このサーボ制御装置１４が電源を遮断する機械停止時に備え、ポンプ１２と上側のチェーン収納ケース６との間に、図示のようにソレノイドに電流が流れていない時は作動液の流路を完全に遮断できるノンリークバルブ１６が設けられている。サーボ制御装置１４に電源が投入されている期間だけはソレノイドにも電流が流れ、ノンリークバルブ１６は流路が解放されるノーマル・クローズ型である。従って電源投入時でも遮断時でも、サーボモーター１３が回転可能な状態にならない限り、大容量高圧アキュムレータ１１の作動液は油圧ロッドレスシリンダー内部に流入できない回路構成である。ポンプ１２が極低圧アキュムレータ１５並びに油圧ロッドレスシリンダへの接続方向を制御するために、ポンプ１２の接続口は３位置４方弁形式の方向制御弁１９に接続されている。この単純な基本液圧回路において、油圧ポンプ１２は耐圧構造であることにより、その回転軸が十分な保持力でしっかりと固定保持されておれば、低圧側のアキュムレータ１５と油圧ロッドレスシリンダーの中間で両者の間の作動液の流動を確実に阻止することができ、ストップバルブの役割も果たしている。更にサーボモーター１３により回転方向を簡単に逆転させることも可能である。これに加えて、サーボモーター制御による回転数制御駆動の結果は、油圧ポンプ１２を高度な流量制御バルブとしても機能させており、一つのポンプに万能性を与えている。
【００１６】
図２に示した基本液圧回路を利用する大出力加減速液圧装置では、液圧回路に発熱原因となる要素が全く無いので、効率良く大きな回転力を大重量の機械類や荷物の移動装置や、大型車輌の加減速駆動装置として利用できる、極めて合理的な構造となる。大容量の高圧アキュームレータ１１から大重量機械類や荷物等の移動に必要となる動力を供給してもらう方式なので、油圧ポンプ１２は低圧側において流量制御手段として機能するだけで良く、従ってモーター容量は仕事の能率の大きさに比較すれば、驚く程小型の容量で済むこととなる。
【００１７】
大重量の機械類として門型の鉄道貨物荷役効率を飛躍的に高めるためのクレーンの油圧駆動装置に想定すると、摩擦抵抗の少ないレールと鋼製車輪とを組み合せた合理的移動手段は、任意の距離の移動を選択できるように、加速と減速の途中で大きな運動エネルギーによる慣性力を活用する方式が望ましく、そのためには液圧駆動システムも途中でポンプ回転を完全に停止する休憩期間を設定可能とすることが必要である。図３に示すのは、このような門型クレーンの油圧駆動装置に本発明を応用した場合の、アキュムレータと油圧ロッドレスシリンダーの配置例を簡単に示した模式図である。そこで大きな慣性力を利用した水平な機械移動を可能とし、この慣性力で高圧アキュムレータ１１に高圧の作動液を送り返してブレーキの代わりとする革新的新技術を詳述する。図３において、油圧ロッドレスシリンダーのシリンダー１を含む本体は、垂直な門型クレーンの支柱に多数の固定手段で強固に固定されるが、門型クレーン自体は図示を省略している。門型クレーンの天井部分は遊休空間となるので、この部分に大容量のアキュームレータを横向きに載置すると、油圧ロッドレスシリンダーのハウジングやチェーン収納ケースに配管無しで直接強固に接続可能となる。極低圧アキュームレータ１５は図２に示すように方向制御弁１９やノンリークバルブ１６、並びにポンプ１２を介して油圧ロッドレスシリンダーと接続されるのだが、図３では極めて小さな部品となるので、これも図示を省いている。垂直なシリンダー１は内部に破線で示すピストン２を摺動させるが、ピストン２は上下方向に移動する。ピストン２の運動は上下一対の軸８に伝えられ、軸８に固定された外部スプロケットに噛み合っている外部チェーン３０は、ピストン２に固定されている内部チェーン３とシリンダ１の内外で互いに補完仕合いながら、弛みの全く無いエンドレス機構を成している。特に下側の軸８は軸の回転方向を逆転させる逆転機構１７と、軸８と門型クレーンの駆動軸２０との間の連結を断続するクラッチ１８とを介して外部に動力を伝達する構造である。従って、静止状態から門型クレーンを移動し始める時は、大容量アキュムレータ１１からシリンダ１に高圧作動液がポンプ１２の回転数に比例した流量となって流入し、ピストン２を下方に移動させることになる。ピストン２に加わる力は略同一の力であるから、門型クレーンは理想的な等加速度運動で加速できる。ポンプ１２の回転数も、加速度的に増加させれば、等加速度運動のための条件を完全に整えることができる。そうすれば、油圧回路内には無駄な圧力が発生することは一切起きないので、最も合理的な損失の無い液圧駆動システムが実現できる。本発明の本領は、次の運動エネルギーを得た大重量機械類を所定位置で停止させるためにブレーキが必要となる際である。従来はブレーキによってこの運動エネルギーを熱に変えていたが、本発明では作動液を高圧アキュムレータ１１内部に押し戻して、再び動力として再利用可能なエネルギーとし、著しい省エネ効果を発揮できるようにすることである。この目的に備え機械類の被駆動機構と液圧駆動装置との連結部には、逆転機構１７やクラッチ１８のような連結制御手段を設けることが必要になってくる。先ずクラッチ１８を切り制御弁１９を中間の待機位置にすると、クレーンは加速後の運動エネルギーでレール上の移動は支障が無く、この間に逆転機構１７を作動させて軸８と駆動軸２０との回転方向が逆転するように準備し、制動開始位置に来た時にクラッチ１８を接続することに加えて制御弁１９を上側の逆転スプール位置にすると、軸８は内部チェーン３を介し門型クレーンの慣性運動を齎している運動エネルギーによりピストン２を上向きに移動させる。同時にポンプ１２は高速回転した状態で極低圧アキュムレータ１５から油圧ロッドレスシリンダに作動液を送り出し、等減速度運動を実現できる回転数制御が行われれば、ピストン２には減速度に比例する力が加わる。ポンプ１２の回転数が高すぎると流量が多くなり、この時のクレーンの減速度が不十分であることになり、その運動エネルギーを作動液の圧力に変換する作用が間に合わずに圧力は低下するので、ピストン２を高圧アキュムレータ１１に抗して上昇させることはできない。反対にポンプ１２の回転数が低すぎると、減速度が大きくなり作動液流量が少なくて圧力は上昇し、エネルギー損失が発生する。この減速度を高圧アキュムレータ１１の圧力よりも僅かに高い圧力になるように作動液流量が正確に制御されれば、この時にも無駄な圧力は全く発生しない。その際に威力を発揮できるのはサーボモーター制御による回転数制御を行う構成を採用している点である。圧力センサーを備え、そのフィードバック制御を利用して正確にポンプ流量を制御すれば、ピストン２に加わる圧力を正確に高圧アキュムレータ１１より僅かに高い圧力に維持することができる。然し乍ら、このような合理的な液圧駆動システムにおいても、エネルギー使用効率は１００％とはならないという問題が残る。そのために、機械部品類の摩擦損失などに由来する損失エネルギー分を補うことが可能なシステムである必要がある。その損失分は機械の駆動力に比較すれば一桁小さくなる程度であるため、例えば慣性による移動中に小さな容量の定回転電動機を駆動させて、損失分を補える構成を付加すれば容易に解決できる問題である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の大出力加減速液圧システムによれば、発熱を伴うような従来型油圧技術の要素を一切使用せずに基本液圧回路を構成しているために、著しい省エネ効果を挙げることができる。そればかりでなく、本発明の根本的な改良技術は、高圧大容量のアキュムレータから一時的に大きな動力を取出して利用し、その後に重量物の巨大な運動エネルギーの形態となった蓄積型エネルギーを、作動液の圧力を高めて元のエネルギー形態に戻し、高圧アキュムレータ内に再び押し戻す合理的な液圧システムである。油圧ポンプは、高圧アキュムレータに接続される側とは逆の背圧側に接続され、圧力発生手段としてではなく、流量制御手段として専ら使用されるという、極めて革新的な技術思想を導入している。この結果、大出力の加減速液圧システムにおいて、仕事の能率の高さに比較して極めて小規模な容量のサーボモーターとポンプとで省エネ効果が著しい仕事を行うことができる。その結果、省エネの観点から使用されなくなりつつある大規模な油圧駆動システムに代わり、電動方式よりも一段とエネルギー効率を高めた合理的な省エネ液圧駆動システムを提案できるようになった。その結果、作動液の温度上昇を著しく抑制できるので、無駄な大量の作動液を使用する必要が無く、輸送用に安全性が極めて重視されるバスや電車のような大型車輌の加減速駆動システムとしても、燃料電池方式やＶＶＶＦ方式に代わり、安全で環境にも優しい水を作動液とする加減速液圧システム実現も容易になる。更に、油圧アクチュエータとして、従来の油圧シリンダーの代わりに油圧ロッドレスシリンダーを使用した場合は、ピストンの左右の両作動室の面積が同一なので、外部タンクを必要とせず、配管をなくす場合でも対応が極めて容易であるばかりか、大きな回転軸出力を必要とする際にも作動液には潤滑性の殆ど無い水を使用可能とする。従って簡単に安全でコンパクトな省エネ油圧／水圧駆動システムを経済的に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、横軸を時間軸とし、縦軸に加速度を取った、大重量の機械類等の被駆動体の時間（移動距離）と加速度の関係を示す線図である。
【図２】図２は、油圧アクチュエータに油圧ロッドレスシリンダーを使用した、本発明の基本となる液圧回路図である。
【図３】図３は、本発明の液圧駆動システムを門型クレーンの液圧駆動装置に応用した場合の、油圧ロッドレスシリンダーとアキュームレータ及び回転出力軸と逆転機構、クラッチ、駆動軸等の配置例を略図で示す側面図である。
【符号の説明】
ａ 等加速度運動終了時（地）点
ｂ 等減速度運動開始時（地）点
ｃ 目的時（地）点
１ 油圧ロッドレスシリンダーのシリンダー
２ ピストン
３ 油圧ロッドレスシリンダーの内部チェーン
４ スプロケット
５ ハウジング
６ チェーン収納ケース
７ 内部チェーンの自由端
８ 油圧ロッドレスシリンダーの軸
１１ 大容量高圧アキュムレータ
１２ ポンプ
１３ サーボモーター
１４ サーボ制御装置
１５ 大容量極低圧アキュムレータ
１６ ノンリークバルブ
１７ 逆転機構
１８ クラッチ
１９ 方向制御弁
２０ 駆動軸
３０ 油圧ロッドレスシリンダーの外部チェーン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a new type of loading and unloading machine capable of loading and unloading a heavy railway cargo such as a large 40-foot container in a short time with an efficiency which could not be realized conventionally, and a bus which repeats acceleration and deceleration. The present invention relates to an innovative hydraulic technique for regenerating kinetic energy, which has conventionally been released into the atmosphere as brake heat, in large vehicles such as trains and trains, and other large-scale hydraulic devices, thereby realizing a remarkable energy saving effect. The present invention relates to an energy-saving large-output hydraulic drive system based on a new hydraulic circuit that uses an accumulator as an energy storage means and a pump as a flow rate control means while saving energy even if separated.
[0002]
[Prior art]
In the conventional hydraulic technology, the pump is exclusively used as a means for generating hydraulic pressure, and the pressure difference before and after the pump in the hydraulic circuit to which the pump is connected is extremely high, and the pump has a structure capable of sufficiently withstanding high pressure. Has been requested. Further, in the hydraulic circuit itself, a high pressure generated by a pump is appropriately reduced to a lower constant pressure by a pressure control valve, and a method corresponding to a change in the required work size or efficiency. Therefore, even if the load is not applied for a long time, the pump is wasted to keep working, and the hydraulic fluid becomes hot due to the heat corresponding to the wasted work, and is required to cool it. It was essential to store a large amount of hydraulic fluid in the tank. The pressure control valve, which is responsible for the depressurizing action, also contributed to the cause of wasteful heat generation. Such a basic hydraulic circuit itself is too wasteful for equipment that requires severe energy saving effects and cannot be used for electric motors and electromagnetic force driving devices. 2 As a result of being eliminated by the reduction campaign, it is no longer being used. That is, the hydraulic technology itself has become an obsolete past technology except in fields where there is no alternative technology such as construction machinery. Furthermore, large vehicles such as buses and trains that repeatedly accelerate and decelerate frequently use a method in which kinetic energy of the vehicle is converted into heat energy by a brake to obtain a braking force, so that energy efficiency is poor.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is to radically improve the conventional hydraulic system, which is extremely inefficient, to completely eliminate the use of wasted energy, and to provide a large output that is more efficient than any method currently available. A fundamental change in hydraulic systems, including safe hydraulic systems, so that they can be used as systems. Another object of the present invention is to propose an innovative new technology capable of controlling a hydraulic drive system that requires a large output with extremely small power, and also significantly improving the work efficiency. As a specific example, in addition to enabling the practical use of a portal crane that can improve the efficiency of loading and unloading railway freight several times, it is also necessary to realize a large vehicle drive system that does not use a brake and has a high energy saving effect.
[0004]
Another problem to be solved by the present invention is to omit piping for a hydraulic system in which there is a risk of danger due to liquid leakage in the event of an accident or the like, and to improve piping safety including a safe hydraulic system. The present invention is to easily realize a high-output hydraulic drive device free of any problem.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, it is necessary to design an innovative hydraulic system as a whole. First, there is the fundamental problem of how to handle the basic hydraulic pump of the basics. No one doubted the pump as a source of hydraulic pressure. The present inventor has conceived that the pump can be used not as a pressure generating means but as a flow control means instead of a valve. In particular, when moving a machine such as a very heavy crane at a high speed or moving two 40-foot containers at a high speed, a large acceleration is continuously applied for a relatively long time to increase the moving speed. Since it is necessary to add deceleration, the energy needs to repeat plus and minus as it goes in and out. Therefore, if this energy is added up, it should be zero in plus and minus, but conventionally this energy was wasted as heat by the rake heat. The same applies to large vehicles. If the energy storage means can be used well, a system that receives energy temporarily from the energy storage means instead of the high pressure generating means by the pump and then stores large kinetic energy in the energy storage means again when braking is required Then, the energy that accelerates a heavy-weight moving machine and the kinetic energy that is converted into heat by the brakes become zero when added. The effect can be expected. Conventionally, in hydraulic systems, accumulators have been used as energy storage means. The role of the accumulator in the conventional hydraulic circuit is to reduce the load on the motor for a relatively long time to eliminate the irrationality of the motor operation rate when the time during which a large load is required is short and the intermediate low-load drive time is long. At times, the small capacity motor is continuously rotated, and the high-pressure hydraulic fluid released by the accumulator in a short time is pushed back into the pressure vessel, thereby rationalizing energy use. Therefore, the pump is stopped only by the pressure generating means. As proposed by the present invention, if the high-pressure hydraulic fluid supplied by a conventional pump is supplied from a large-capacity high-pressure accumulator, an energy-saving hydraulic system can be easily realized. The hydraulic energy originally stored in the high-pressure accumulator, which was once converted into kinetic energy of machinery with a large weight, is reduced again to the high-pressure hydraulic fluid energy of a substantially constant pressure slightly higher than the high-pressure accumulator, and returned to the original high-pressure accumulator. In order to push it back in, the high-pressure accumulator is connected to the working chamber of the hydraulic actuator on the side where the volume is increased first, but is connected to the working chamber on the side where the volume is reduced. At the same time, the flow rate of the working fluid can be controlled to a desired constant pressure by accurately controlling the rotational speed so as to realize a constant deceleration movement. However, even with this new method, the energy efficiency does not become 100%, so a very small amount of energy, which becomes heat due to the sliding friction of mechanical parts and the flow friction of the working fluid, pushes the working fluid back from the very low pressure accumulator to the high pressure accumulator. At this time, even if it is pushed back by a slightly excessive amount, compensation can be made, and another method can be adopted. Since the hydraulic circuit according to the present invention employs a system in which the circuit switching means is omitted as much as possible, the connection port is kept as it is, and in order to achieve substantially the same effect as connecting the working chamber to the opposite side, a hydraulic actuator and a heavy This problem can be easily solved by utilizing a mechanism in which the rotation direction is reversed at a connection portion with a driven mechanism such as machinery. One of the patent applicants of the present invention has long proposed that a servomotor-driven hydraulic pump can be used as a flow control means as a system for taking energy in and out of the system. The innovative technical idea of the present invention is that this servomotor-driven hydraulic pump is connected to a low-pressure circuit on the back pressure side and used so that pressure is not generated in principle except when replenishing lost energy. is there. In this way, the valves that also contributed to energy waste in the conventional hydraulic system need only be a non-leak valve for stopping the machine and a directional control valve for deceleration, and the accumulator also increases the energy storage efficiency. If devised and used, a highly efficient energy storage / extraction means that cannot be achieved by the conventional technology can be realized.
[0006]
To prevent the servo motor drive hydraulic pump from generating unnecessary pressure, accelerate heavy machinery or vehicles with constant acceleration, and use constant deceleration when applying deceleration instead of braking. In order to be able to decelerate, it is necessary to precisely control the fluctuation of the pump speed using a servomotor. By performing servo control in combination with the stroke detection means of the hydraulic actuator, such optimal control can be realized relatively easily. In addition, since no heat is generated, it is relatively easy to realize a tankless system that is compact and has a freely selectable mounting posture. If a hydraulic rodless cylinder, realized by one of the inventors for the first time in the world, is used as a hydraulic actuator, this is the most preferable choice because the working chamber areas on the left and right sides of the piston are the same. In addition, if a large capacity accumulator of extremely low pressure close to the atmospheric pressure is combined with the conventional hydraulic tank, a highly reliable hydraulic system that cuts off contact with the atmospheric oxygen of the working fluid and hardly generates sludge It becomes feasible. However, the same effect can be obtained by using a completely closed type oil tank instead of the extremely low pressure accumulator. In addition, instead of a servo motor, any motor that can simultaneously control the number of rotations, rotation direction, and rotation torque can be used without any problem. For example, a wide range of motors including a VVVF three-phase induction motor and a DC motor can be used. It can be used because it has the same function as a servomotor, and the servomotor described in the present invention is a motor in a relatively wide range in which a servo amplifier can be used, and is not limited to a specific type of motor.
[0007]
For example, when configuring a high-speed drive system for a large portal crane that can handle large containers for railway freight at high speed, the distance required for moving the large crane is an integral multiple of the distance equivalent to the length of the freight wagon. Become. If the actuator is a hydraulic rodless cylinder that can easily achieve a long stroke for movement over a substantially constant distance, the piston stroke can be set to a distance equivalent to the length of the freight car and a large torque torque output can be taken out, a simple control method However, since the actual travel distance is an integral multiple of that distance, the principle is that movement at the end of acceleration is due to inertia, and the driving force using hydraulic pressure rests during the middle period of the constant speed movement. It is reasonable. Therefore, if a clutch mechanism is provided between the hydraulic actuator and the driven mechanism that allows the power transmission to be freely switched on and off, and the connection with the high-pressure accumulator can be substantially cut off during the period of inertial movement, a practical system can be realized. Can be configured. In addition, it is desirable to provide a device for detecting the stroke of the hydraulic actuator in order to accurately control the rotation speed of the servo motor in preparation for automatic movement of a large crane or the like. Between the acceleration period and the deceleration period, frictional energy required for constant-speed movement can be compensated by a constant-speed rotation type three-phase AC induction motor to enable long-distance movement. In the case of a bus, an engine is driven instead of a motor, and a train is a foothold for replacing the VVVF system with the simplest induction motor drive system in which an acceleration / deceleration control power supply device is omitted, similarly to a crane.
[0008]
In order to increase the safety of the entire hydraulic system, a tankless system will be the basis for configuring a hydraulic system in which piping is eliminated as much as possible. As described in the previous section, if an ultra-low pressure large-capacity accumulator extremely close to the atmospheric pressure is used as the low-pressure hydraulic fluid storage means, this is disposed adjacent to the hydraulic actuator, and an optimal combination with the high-pressure large-capacity accumulator is achieved. By devising, it is possible to easily realize a hydraulic system in which the tank and the piping are omitted.
[0009]
[Action]
In the present invention, the generation of high pressure by the conventional pump drive is completely stopped, and instead, the supply of high-pressure hydraulic fluid from a high-pressure large-capacity accumulator is assumed. The pump is a new type that is mainly used for flow control means driven by a servo motor. In the basic circuit, a pump is provided on the back pressure side, which is a low-pressure circuit, which is completely different from conventional common sense. Since the high-output hydraulic system of the present invention is a system for moving a heavy machine, luggage or a large vehicle at a high speed, the energy required for the movement is mainly the energy required for acceleration. is there. When rails and steel wheels are used as the moving means, the friction loss is extremely small, and the moving energy loss immediately before braking is negligible. Almost all of the energy used to accelerate heavy machinery and vehicles is converted into kinetic energy of the machine and vehicle.The kinetic energy is not converted into heat by braking, but the pressure of the hydraulic fluid is increased again to increase the pressure of the high-pressure accumulator. If it is pushed back inside, it is possible to realize a high-speed moving hydraulic system which is very energy saving. Therefore, in the present invention, it is possible to push the hydraulic fluid back into the high-pressure accumulator by utilizing the large kinetic energy of the heavy machinery or the like to increase the pressure of the hydraulic fluid again. For this purpose, a mechanism capable of reversing the rotation direction is provided at the connection between the driven mechanism and the hydraulic actuator. In the latter half of the period in which deceleration is required via this reversing mechanism, kinetic energy of heavy machinery or the like drives the piston and acts to push the hydraulic fluid back to the high-pressure accumulator. The most important point of the new technology that makes the present invention unnecessary for the first time proposed in the world is that the kinetic energy of a heavy moving object directly serves as a power source for directly reversing the piston. Also in this case, if the flow rate of the hydraulic fluid is controlled to decrease at an accelerated rate, the generation of useless pressure can be suppressed, and the pressure can be maintained at a level slightly higher than the pressure of the high-pressure accumulator. Explaining the basic function of the rotation speed of the servo motor driven hydraulic pump, if the rotation speed of the pump is too high, the hydraulic fluid flow rate will increase and the pressure will decrease, so the piston will be moved against the high pressure accumulator You will not be able to do it. Conversely, if the rotation speed of the pump is too low, the deceleration becomes large, the flow rate of the hydraulic fluid is small, and the pressure rises, so that energy loss occurs.
[0010]
According to the present invention, since the servo motor drive hydraulic pump is connected to the back pressure side where the pressure is low, the servo motor can receive all the rotational force applied to the pump by the hydraulic fluid pressure difference between both connection ports, and complete When a holding force sufficient to stop the operation is exerted, the movement of the hydraulic fluid can be almost completely stopped by utilizing the pressure resistance of the pump structure. When the servo motor rotates, an amount of hydraulic fluid proportional to the number of rotations flows in either direction. Since the servomotor can control the rotation in both the forward and reverse directions, it can also play the role of a directional control valve for switching the direction in which the hydraulic fluid flows. The present invention proposes a new method of utilizing the servomotor-driven hydraulic pump as flow control means. The hydraulic fluid flows out of the high-pressure accumulator into the circuit due to the non-compressibility of the hydraulic fluid due to the incompressibility of the hydraulic fluid, but not to the high-pressure large-capacity accumulator but to the back-pressure side directly connected to the opposite ultra-low-pressure large-capacity accumulator. Is limited by the flow rate of the hydraulic fluid on the back pressure side, so that the rotation speed control device of the servo motor can directly serve as the flow control means in the hydraulic basic circuit of the present invention.
[0011]
Considering the flow of energy in the hydraulic basic circuit of the present invention, there is almost no element that is expected to generate a working fluid heating effect which is a problem in the conventional hydraulic technology. After taking out the energy stored extremely reasonably in a short time and changing it into a large operating force and changing the form into kinetic energy, it is turned back into the accumulator with energy to make the working fluid high pressure, so it is repeated many times It is easy to reuse. The hydraulic fluid reciprocates between the high pressure side and the low pressure side accumulator. In this case, when realizing an energy-saving hydraulic drive system, it is necessary to briefly touch on basic physics kinematics in order to consider how to control the rotation of the servo motor driven hydraulic pump. There is. FIG. 1 is a simple graph of acceleration and time (moving distance) when moving a machine or the like most rationally. The horizontal axis is the time axis, but also implies the moving distance as a function of time, and the vertical axis shows the magnitude of the acceleration. In general kinematics, the most rational movement of an object is a movement with constant acceleration. When moving the object along the horizontal axis from the zero point of the intersection to the right along the horizontal axis, during the acceleration period, if the target velocity is reached at point a in FIG. Movement by inertia using kinetic energy can be used arbitrarily, and at the point b in the figure, the direction is constant at a negative constant acceleration -α, which is opposite to the direction at the time of acceleration. To the destination c point. Even in the case where the high-pressure hydraulic fluid is supplied from the accumulator, it is considered desirable to save the hydraulic fluid at a substantially constant pressure for energy saving, and the accumulator is assumed to be a large-capacity type with little pressure fluctuation. From the second law of Newton's mechanics, force is the product of mass and acceleration, and it is obvious that an equal acceleration / deceleration system is an ideal acceleration / deceleration system if the force is constant, that is, if the hydraulic fluid pressure is also constant. There will be. Therefore, similar to the natural fall phenomenon caused by gravity, which is observed naturally in natural phenomena, if the servomotor-driven hydraulic pump flow rate is controlled so that the speed increases and decreases at an accelerated rate, a preferable hydraulic system that does not generate useless pressure is obtained. It can be built. Such optimum control of the servo motor speed can be easily dealt with by the servo motor drive technology.
[0012]
In a large crane considered as an application example of the present invention, as a hydraulic system for high-speed movement of heavy machinery, movement to a position where deceleration is necessary by using inertia after an acceleration period. I assume. For this purpose, a moving means combining a rail with low frictional force and steel wheels is premised, and a hydraulic drive system with extremely high energy use efficiency is obtained. At this time, the energy supply from the high-pressure accumulator is also temporarily stopped, and the servomotor and the pump are substantially stopped to stop useless use of energy. However, during the suspension period of the hydraulic system, the hydraulic rodless cylinder as an actuator needs to be disconnected from the driven mechanism of the machine. To this end, a clutch mechanism is provided between the two to temporarily release the connection. As a result, wasteful energy consumption does not occur, and a constant-speed rotating electric motor can be used even when the moving distance is long. For heavy machinery and vehicles, the kinetic energy is not substantially reduced, and 90% The above energy conservation is also very easy. The remaining problem is how to make up for the energy loss of about 10%. When the kinetic energy of the heavy-weight moving object is converted back to the high-pressure hydraulic fluid energy and pushed back into the pressure vessel, the loss energy will be closer to the stop position than when the stop position is ideal without loss. It will be. In the last insufficient stroke, the pump pumps the working fluid from the extremely low pressure accumulator to the inside of the actuator at a pressure slightly higher than the pressure of the high pressure accumulator. In this case, it is only necessary that the pump performs work on average during the entire continuous deceleration period in time, and the two-stage deceleration is not performed. In this case, in the present invention, the pump becomes the original pressure generating means. When moving a certain distance, if a hydraulic rodless cylinder is used as an actuator, the entire stroke of the piston is set to a predetermined movement distance, and if the piston is moved to the stroke end point, the exact movement distance is automatically set. There is an action to determine. This method is an effective method when the traveling distance is short, but for crane for very long freight trains in the continental North America, it increases the speed by supplying a little more power while traveling by three-phase induction motor There is an easy way. In the case of a vehicle as well, the effect of supplementing the insufficient energy is the same.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The embodiment of the present invention is a form in consideration of application to a high-speed moving hydraulic drive system of a large portal crane, which is useful for significantly improving the efficiency of cargo handling work of railway cargo. In addition to this, the present invention can be widely applied and implemented to an acceleration / deceleration drive hydraulic system for a large vehicle such as a bus or a train. However, there is a fundamental difference in the system design from the conventional hydraulic system, and the most basic new hydraulic circuit is used as the basic technology, and an acceleration / deceleration hydraulic device for high-speed movement of heavy machinery using this is applied. An example will be described in detail.
[0014]
【Example】
FIG. 2 is a basic energy-saving hydraulic circuit diagram of the hydraulic system which is the basis of the present invention. A hydraulic rodless cylinder is used as a hydraulic actuator. The reason is that firstly, both the high-pressure and low-pressure working chambers formed on the left and right sides of the piston 2 have the same area where the cross-sectional area does not change at all, and the flow rate of the working fluid is the same even when the moving direction of the piston 2 changes. This is because there is an advantage. An even greater reason is that, as a drive mechanism for a machine such as a large crane, the convenience of directly using a powerful rotating shaft output is irreversible. Hydraulic actuators that generate rotational force obtain rotational force through a strong friction surface sliding mechanism other than hydraulic rodless cylinders, but hydraulic rodless cylinders have no friction mechanism to obtain rotational force. Because it is a simple, economical and efficient mechanism. This point is most important when water having poor lubricity is used as the working fluid. Apart from this, it is crucially important when strict security is required, such as in the railway sector. However, in applications where the use of hydraulic fluids that are treated as hazardous materials does not pose a problem, general continuous rotation type hydraulic motors using hydraulic oil with excellent lubrication can be used as well as rotary hydraulics combined with a reduction mechanism. It can be used as an actuator. If a hydraulic rodless cylinder is used as a hydraulic actuator, the storage case at the free end of the internal chain that is directly connected to both the high and low working chambers is close, even if the hydraulic piping is eliminated, which directly connects to the safety of the whole system Therefore, it is possible to easily devise a structure for eliminating piping. In FIG. 2, only the internal cross section of the hydraulic rodless cylinder connected to the hydraulic circuit is schematically shown, but in an actual hydraulic rodless cylinder, the external chain on the opposite side of the piston 2 applies strong tension. It is a structure that can output linear force while stretching. The cylinder 1 has a built-in piston 2 that slides therein. Two working chambers connected to the high pressure side and the low pressure side are formed on the left and right sides of the piston 2, and the internal chain 3 fixed to the piston 2 meshes with the internal sprocket 4. The free end 7 of the inner chain 3 detached from the sprocket 4 is structured to be housed in a chain free end housing case 6 having a size slightly larger than the link height such that bending of the links is restricted. The sprocket 4 is fixed to a shaft 8 which also serves as a rotation output shaft. The shaft 8 is fixed to the housing 5 via a shaft sealing structure and extends outside the housing 5.
[0015]
The hydraulic basic circuit shown in FIG. 2 is a simple circuit that cannot be further simplified. Reference numeral 11 denotes a large-capacity high-pressure accumulator that supplies energy to the hydraulic circuit. The high-pressure accumulator 11 is directly connected to the housing 5 of the hydraulic rodless cylinder. An extremely low pressure and large capacity accumulator 15 is connected to the other upper chain storage case 6 via a hydraulic pump 12. The hydraulic pump 12 is a servomotor-driven hydraulic pump driven by a servomotor 13. Even if a pressure difference is generated between the two connection ports, the hydraulic pump 12 merely fixes the rotation shaft of the pump 12 firmly so as not to rotate. The servo motor 13 has a large holding force. The servo motor 13 is driven and controlled by a servo controller 14. Further, in preparation for a machine stop in which the servo control device 14 shuts off the power supply, a flow path of the hydraulic fluid is provided between the pump 12 and the upper chain storage case 6 when no current flows through the solenoid as shown in the figure. A non-leak valve 16 that can be completely shut off is provided. Only during a period in which power is supplied to the servo controller 14, current flows through the solenoid, and the non-leak valve 16 is a normally closed type in which the flow path is opened. Therefore, even when the power is turned on or off, the hydraulic fluid of the large-capacity high-pressure accumulator 11 cannot flow into the hydraulic rodless cylinder unless the servomotor 13 is in a rotatable state. The connection port of the pump 12 is connected to a directional control valve 19 of a three-position four-way valve type so that the pump 12 controls the connection direction to the extremely low pressure accumulator 15 and the hydraulic rodless cylinder. In this simple basic hydraulic circuit, the hydraulic pump 12 has a pressure-resistant structure, so that if the rotating shaft is firmly fixed and held with a sufficient holding force, the intermediate position between the low-pressure side accumulator 15 and the hydraulic rodless cylinder As a result, the flow of the hydraulic fluid between the two can be reliably prevented, and also serves as a stop valve. Furthermore, the rotation direction can be easily reversed by the servo motor 13. In addition to this, the result of the rotation speed control drive by the servo motor control makes the hydraulic pump 12 also function as an advanced flow control valve, giving one pump versatility.
[0016]
In the high-output acceleration / deceleration hydraulic device using the basic hydraulic circuit shown in FIG. 2, since the hydraulic circuit has no elements that cause heat generation, a large rotating force can be efficiently used to move heavy machinery and luggage. It is an extremely rational structure that can be used as a device or an acceleration / deceleration drive device for large vehicles. Since the power required for moving heavy machinery and luggage is supplied from the large-capacity high-pressure accumulator 11, the hydraulic pump 12 only needs to function as a flow control means on the low-pressure side. Surprisingly small capacity is required compared to the efficiency of work.
[0017]
Assuming a gate-type railway freight hydraulic drive system for drastically increasing the efficiency of loading and unloading railway freight as heavy machinery, a reasonable means of transportation combining rails with low frictional resistance and steel wheels is optional. It is desirable to use a method that utilizes inertial force due to large kinetic energy during acceleration and deceleration so that the distance can be selected.For this purpose, the hydraulic drive system can also set a rest period to completely stop the pump rotation midway It is necessary to FIG. 3 is a schematic diagram simply showing an arrangement example of an accumulator and a hydraulic rodless cylinder when the present invention is applied to such a hydraulic drive device of a portal crane. Accordingly, an innovative new technology that enables horizontal machine movement using a large inertial force and sends high-pressure hydraulic fluid back to the high-pressure accumulator 11 using this inertial force to replace the brake will be described in detail. In FIG. 3, the main body including the cylinder 1 of the hydraulic rodless cylinder is firmly fixed to the column of the vertical portal crane by a number of fixing means, but the portal crane itself is not shown. Since the ceiling of the portal crane is an idle space, if a large-capacity accumulator is placed sideways on this portion, it can be firmly connected directly to the hydraulic rodless cylinder housing and chain storage case without piping. Although the extremely low pressure accumulator 15 is connected to the hydraulic rodless cylinder via the directional control valve 19, the non-leak valve 16 and the pump 12 as shown in FIG. 2, it is an extremely small part in FIG. Illustration is omitted. The vertical cylinder 1 slides a piston 2 shown by a broken line inside, but the piston 2 moves up and down. The movement of the piston 2 is transmitted to a pair of upper and lower shafts 8, and the outer chain 30 meshing with the outer sprocket fixed to the shaft 8 complements the inner chain 3 fixed to the piston 2 and the inside and outside of the cylinder 1. While matching, it forms an endless mechanism without any slack. In particular, the lower shaft 8 transmits power to the outside via a reversing mechanism 17 for reversing the rotation direction of the shaft and a clutch 18 for intermittently connecting the shaft 8 and the drive shaft 20 of the portal crane. It is. Therefore, when the portal crane starts moving from the stationary state, the high-pressure hydraulic fluid flows from the large-capacity accumulator 11 into the cylinder 1 at a flow rate proportional to the rotation speed of the pump 12, and moves the piston 2 downward. become. Since the forces applied to the pistons 2 are substantially the same, the portal crane can be accelerated by an ideal constant acceleration motion. If the rotation speed of the pump 12 is also increased at an accelerated rate, the conditions for the uniform acceleration movement can be completely adjusted. Then, since no useless pressure is generated in the hydraulic circuit, a hydraulic drive system with the most reasonable loss can be realized. The essence of the present invention is when a brake is required to stop a heavy machine that has obtained the next kinetic energy at a predetermined position. Conventionally, this kinetic energy was converted to heat by a brake. However, in the present invention, the working fluid is pushed back into the high-pressure accumulator 11 so that the energy can be reused as power again, and a remarkable energy saving effect can be exhibited. is there. For this purpose, it is necessary to provide a connection control means such as a reverse rotation mechanism 17 or a clutch 18 at a connection portion between the driven mechanism of the machinery and the hydraulic drive device. First, when the clutch 18 is disengaged and the control valve 19 is set at the intermediate standby position, the crane does not hinder the movement on the rail by the kinetic energy after acceleration. During this time, the reverse rotation mechanism 17 is operated to connect the shaft 8 and the drive shaft 20 with each other. When the rotation direction is prepared to be reversed and the control valve 19 is set to the upper reverse spool position in addition to the connection of the clutch 18 when the braking start position is reached, the shaft 8 is moved through the inner chain 3 to the position of the portal crane. The piston 2 is moved upward by the kinetic energy causing the inertial motion. At the same time, the pump 12 sends out the hydraulic fluid from the ultra-low pressure accumulator 15 to the hydraulic rodless cylinder in the state of high speed rotation, and if the rotation speed control that can realize the constant deceleration movement is performed, the force proportional to the deceleration is applied to the piston 2. Join. If the rotation speed of the pump 12 is too high, the flow rate will increase, and the deceleration of the crane at this time will be insufficient, and the pressure will decrease because the action of converting the kinetic energy to the pressure of the working fluid cannot be made in time. Therefore, the piston 2 cannot be raised against the high-pressure accumulator 11. Conversely, if the rotation speed of the pump 12 is too low, the deceleration becomes large, the flow rate of the working fluid is small, the pressure rises, and energy loss occurs. If the flow rate of the working fluid is accurately controlled so that the deceleration becomes slightly higher than the pressure of the high-pressure accumulator 11, no useless pressure is generated at this time. The power that can be exerted in that case is that a configuration that performs rotation speed control by servo motor control is adopted. If a pressure sensor is provided and the pump flow rate is accurately controlled using the feedback control, the pressure applied to the piston 2 can be accurately maintained at a slightly higher pressure than the high-pressure accumulator 11. However, even with such a reasonable hydraulic drive system, there remains a problem that the energy use efficiency is not 100%. Therefore, it is necessary that the system be capable of compensating for the loss energy due to the friction loss of the mechanical parts. Since the loss is only an order of magnitude smaller than the driving force of the machine, it can be easily solved by adding a configuration that can compensate for the loss by driving a small-capacity constant-rotation motor during movement due to inertia, for example. It is a problem that can be done
[0018]
【The invention's effect】
According to the high-output acceleration / deceleration hydraulic system of the present invention, the basic hydraulic circuit is configured without using any element of the conventional hydraulic technology that generates heat. it can. In addition, the fundamental improvement technology of the present invention is to temporarily extract and use large power from a high-pressure, large-capacity accumulator, and then to use stored energy that has become a form of huge kinetic energy of heavy objects. A rational hydraulic system in which the pressure of the working fluid is raised back to its original energy form and pushed back into the high pressure accumulator. The hydraulic pump is connected to the back pressure side opposite to the side connected to the high-pressure accumulator, and introduces a very innovative technical idea that it is used exclusively as a flow control means, not as a pressure generating means. As a result, in a high-output acceleration / deceleration hydraulic system, a work with a remarkable energy saving effect can be performed by a servo motor and a pump having extremely small capacities as compared with the efficiency of the work. As a result, instead of a large-scale hydraulic drive system that is no longer used from the viewpoint of energy saving, it has become possible to propose a rational energy-saving hydraulic drive system with even higher energy efficiency than the electric system. As a result, the temperature rise of the working fluid can be significantly suppressed, so there is no need to use a large amount of useless working fluid, and acceleration / deceleration drive systems for large vehicles such as buses and trains, for which safety is extremely important for transportation. However, in place of the fuel cell system and the VVVF system, it is easy to realize an acceleration / deceleration hydraulic system using safe and environmentally friendly water as a working fluid. Furthermore, when a hydraulic rodless cylinder is used as a hydraulic actuator instead of the conventional hydraulic cylinder, the area of both the left and right working chambers of the piston is the same, so no external tank is required and even if piping is eliminated, it is possible to respond. In addition to being extremely easy, even when a large rotating shaft output is required, water having almost no lubricity can be used as the working fluid. Therefore, a safe and compact energy-saving hydraulic / hydraulic drive system can be easily constructed economically.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a relationship between time (moving distance) and acceleration of a driven body such as a heavy machinery having a horizontal axis as a time axis and a vertical axis as acceleration.
FIG. 2 is a basic hydraulic circuit diagram of the present invention using a hydraulic rodless cylinder as a hydraulic actuator.
FIG. 3 is a view showing a hydraulic rodless cylinder, an accumulator, a rotary output shaft, a reverse rotation mechanism, a clutch, a drive shaft, and the like when the hydraulic drive system of the present invention is applied to a hydraulic drive device of a portal crane. It is a side view which shows the example of arrangement | positioning by a schematic diagram.
[Explanation of symbols]
a (Earth) point at the end of uniform acceleration motion
b (ground) point at the start of constant deceleration motion
c Purpose (ground) point
1 Cylinder of hydraulic rodless cylinder
2 piston
3 Internal chain of hydraulic rodless cylinder
4 Sprocket
5 Housing
6 Chain storage case
7 Free end of internal chain
8 Hydraulic rodless cylinder shaft
11 Large-capacity high-pressure accumulator
12 pumps
13 Servo motor
14 Servo control device
15 Large capacity ultra low pressure accumulator
16 Non-leak valve
17 Reverse rotation mechanism
18 clutch
19 Directional control valve
20 Drive shaft
30 External chain of hydraulic rodless cylinder
