JP2005098346A - 油圧ショベル用油圧システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な方法で、従来の油圧システムで問題とされていた省エネ、複合操作性を同時に大幅に向上させることのできる油圧ショベル用油圧システムを提供する。
【解決手段】油圧ショベル用の油圧システムであって、可変容量ポンプＶＰＭの圧油供給ライン３にパラレルに接続されたクローズドセンター型の、旋回操作用を除く切換弁を内蔵した第１の制御弁ＣＶＬ１と、固定容量ポンプＦＰＭの圧油供給ライン３Ａに接続されたオープンセンター型の旋回操作用切換弁及び合流用切換弁を上流側より順に配設内蔵した第２の制御弁ＣＶＬ２を備え、当該合流用切換弁の操作端部に前記第１制御弁の各切換弁用の操作信号を作用させる。前記合流用切換弁からの圧油は合流ライン１０を経て前記圧油供給ラインに合流される。前記旋回操作用切換弁は、合流用切換弁に対し、固定容量ポンプＦＰＭからの圧油の供給に関し優先機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は油圧ショベル用の油圧システムに係り、特に操作性向上と油圧パワーの有効活用に関する。

従来の油圧ショベル用油圧システムは、特開平４−１４６３３６号公報（特許文献１）の第１図に示されるように、一方の走行用切換弁及びブーム用切換弁その他を備え第１のポンプに接続される第１制御弁グループ、他方の走行用切換弁及びアーム用切換弁その他を備え第２のポンプに接続される第２制御弁グループ、廃土板用切換弁及びその他を備え第３のポンプに接続される第３の制御弁グループとから構成されている。

さらに他の従来例としては、特開平５−３０２６０３号公報（特許文献２）の第１図に示されるように、単一の可変容量ポンプを備え、低負荷側アクチュエータの単独操作から別の高負荷側アクチュエータを複合操作した場合に、低負荷側アクチュエータの急激な速度低下を防止して極力高速に維持することにより、作業性及び省エネを向上する再生油圧回路に関するものである。

前記特許文献１においては、油圧源として３つのポンプが使用され、共にオープンセンター型の切換弁が接続されている。この油圧システムでは、旋回操作性の向上等を目的として３つのポンプが使用されているが、切換弁が中立位置にあるとき各ポンプ吐出油の全量が切換弁を通してタンクへ放出されるのでエネルギーロスが大きく、且つ合流のための油圧回路が複雑である。

また、前記特許文献２においては、油圧源として１つの可変容量ポンプが使用されているので、合流配管等が不要であり、油圧システムは単純化されているが、油圧ショベルにおいては、非常に慣性の大きい旋回と慣性の小さな他のアクチュエータを、１つの共通の油圧源にて同時操作する場合、良好な複合操作性を得るには多くの技術的困難を伴う。
特開平４−１４６３３６号公報（第１図） 特開平５−３０２６０３号公報（第１図）

本発明の目的は、非常に簡単な方法で、従来の油圧システムで問題とされていた省エネ、複合操作性を同時に大幅に向上させることのできる油圧ショベル用油圧システムを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明による油圧ショベル用油圧システムは、油圧ショベルに搭載された油圧アクチュエータに圧油を供給する可変容量形の第１のポンプ、前記油圧アクチュエータのそれぞれに対応する複数のクローズドセンター型切換弁を前記第１のポンプの圧油供給ラインに対してパラレルに接続形成してなる第１の制御弁及び、前記各切換弁を操作する切換弁操作手段を備え、前記切換弁を操作して前記第１のポンプからの圧油を前記アクチュエータへ供給すると共にその戻り油をタンクに排出し、前記アクチュエータへの供給油量を当該切換弁のメータイン側差圧が一定となるよう前記第１のポンプの吐出流量を調整するよう構成した第１のシステムと、前記油圧ショベルに搭載された旋回操作用の油圧アクチュエータに圧油を供給する可変または固定容量形の第２のポンプ及び、同第２のポンプの圧油供給ラインを前記第１のポンプの圧油供給ラインへ接続する合流用切換弁及び前記旋回操作用切換弁を内蔵するとともに前記各切換弁はオープンセンター型で形成され、前記合流用切換弁は前記第１のポンプに接続された切換弁操作信号で操作するよう形成した第２の制御弁を備えた第２のシステムとから構成される。

その場合、前記旋回操作用切換弁は前記合流用切換弁に対し、前記第２のポンプの圧油供給ラインに関し優先機能を持つよう構成することができる。

またその場合、前記優先機能は第２のポンプへの切換弁接続順序を、前記合流用切換弁に対し旋回操作用切換弁を上流側に配置するとともにタンデム接続するよう構成することができる。

さらにその場合、前記優先機能は第２のポンプへの切換弁接続順序を、前記合流用切換弁に対し前記旋回操作用切換弁を上流側に配置するとともに、これらをタンデムパラレル接続し且つ、当該パラレルラインに絞りを設けて構成することができる。

またその場合、制御弁１と制御弁２とを一体的に形成することができる。

またその場合、前記第１のポンプ及び第２のポンプを駆動するエンジンと、当該エンジンの冷却用ファンを駆動する油圧モータと、同油圧モータへの圧油の給排を切換える切換弁とを備え、同切換弁は前記第２の制御弁内に形成されるよう構成することもできる。

また、前記第１のポンプの圧油供給ラインからタンクラインに接続されるバイパスラインと、同バイパスライン上において上流側から順に設けられた圧力補償流量調整弁及び圧力発生手段とを備え、同圧力発生手段の上流側圧力により前記第１のポンプの吐出流量を調整するよう構成することができる。

またその場合、第１の制御弁中の切換弁の操作に応じて操作される第２の制御弁中の切換弁は、当該第１の制御弁の切換弁が所定ストローク移動後に前記第２のポンプの圧油供給ラインを前記第１のポンプの圧油供給ラインに接続するよう構成することができる。

本発明によれば、油圧ショベルに搭載された油圧アクチュエータに圧油を供給する可変容量形の第１のポンプ、前記油圧アクチュエータのそれぞれに対応する複数のクローズドセンター型切換弁を前記第１のポンプの圧油供給ラインに対してパラレルに接続形成してなる第１の制御弁及び、前記各切換弁を操作する切換弁操作手段を備え、前記切換弁を操作して前記第１のポンプからの圧油を前記アクチュエータへ供給すると共にその戻り油をタンクに排出し、前記アクチュエータへの供給油量を当該切換弁のメータイン側差圧が一定となるよう前記第１のポンプの吐出流量を調整するよう構成した第１のシステムと、前記油圧ショベルに搭載された旋回操作用の油圧アクチュエータに圧油を供給する可変または固定容量形の第２のポンプ及び、同第２のポンプの圧油供給ラインを前記第１のポンプの圧油供給ラインへ接続する合流用切換弁及び前記旋回操作用切換弁を内蔵するとともに前記各切換弁はオープンセンター型で形成され、前記合流用切換弁は前記第１のポンプに接続された切換弁操作信号で操作するよう形成した第２の制御弁を備えた第２のシステムとから構成されるので、従来の油圧ショベル用油圧システムに比較して操作性及び油圧エネルギーの有効活用の点できわめて優れたシステムを構成できるという効果を奏するものである。

図１は本発明の基本的な構成を例示する実施例であり、破線で囲まれた２つのシステムＳＹＳ１とＳＹＳ２を有する。一方のシステムＳＹＳ１は、可変容量ポンプＶＰＭと同可変容量ポンプＶＰＭの圧油供給ライン３に接続されている第１の制御弁ＣＶＬ１から構成される。

前記圧油供給ライン３には、旋回操作用切換弁を除く油圧ショベルに搭載された各種の油圧アクチュエータ用切換弁がパラレルに接続されており、具体的には同図の上方から、オプション用切換弁ＯＰＴ、バケットシリンダ用切換弁ＢＫＴ、アームシリンダ用切換弁ＡＭ、ブームシリンダ用切換弁ＢＭ、左走行油圧モータ用切換弁ＴＬおよび右走行油圧モータ用切換弁ＴＲであり、図示のようにこれら切換弁はクローズドセンター型の切換弁として形成されている。

さらに、前記圧油供給ライン３からはバイパスライン４が配設され上流側から順に圧力補償流量制御弁５及び本発明における圧力発生手段としての絞り６を経てタンク７に接続されており、前記絞り６の上流側圧力は前記可変容量ポンプＶＰＭの容量調整機構８に与えられている。なお、参照符号ＲＦＶ１はリリーフ弁である。前記第１の制御弁ＣＶＬ１の各切換弁からは破線で示される圧力検出信号が逆止弁を介して合流されており、その合流圧力信号が前記圧力補償流量調整弁５に与えられている。即ち、圧力補償流量調整弁５には、前記各切換弁の圧力検出信号の中で最高の値が選択されて与えられるようになっている。

なお、第１の制御弁ＣＶＬ１のさらに詳細な構成については、前述した特許文献２に記載されており、また第３図にはアームシリンダ用切換弁ＡＭの構成例が示されているので、ここではその説明は省略する。

次に、図１のシステムＳＹＳ２について説明する。

システムＳＹＳ２は、固定容量型ポンプＦＰＭと、同ポンプＦＰＭの圧油供給ラインに接続された第２の制御弁ＣＶＬ２とで構成される。第２の制御弁ＣＶＬ２には上流側から順に、旋回操作用切換弁ＳＷＶＬ、合流用切換弁ＦＳＶＬが配設されており、これら切換弁は共にオープンセンター型の切換弁として形成されている。なお、参照符号ＨＤＭＴＲは旋回駆動用油圧モータ、ＲＦＶ２はリリーフ弁である。

前記合流操作用切換弁ＦＳＶＬの一側操作入力部には、システムＳＹＳ１側の各切換弁からの操作信号が入力されるようになっており、これらの信号により合流用切換弁ＦＳＶＬが切り換えられる（右端の状態）とポンプＦＰＭからの圧油は入力ポート９を経て合流ライン１０に至り、さらに前記圧油供給ライン３に合流する。また、旋回操作用切換弁ＳＷＶＬにおいて、その左または右操作部に圧油信号が与えられるとポンプＦＰＭからの圧油は前記油圧モータＨＤＭＴＲを回転駆動させる。このときオープンセンター通路は遮断される。

なお、前記合流用切換弁ＦＳＶＬへの操作信号は、第１の制御弁ＣＶＬ１のすべての切換弁に対応していてもよく、また必ずしもすべての切換弁に対応していなくてもよく、要求される最大流量に応じて、これらの中の特定の切換弁、例えばブーム用、アーム用切換弁の操作信号だけを選択するようにしてもよい。

図３は、図１における例えばアーム用切換弁ＡＭを、その操縦桿２２により操作する場合における合流用切換弁ＦＳＶＬの状態を示す。同図３において、可変容量ポンプＶＰＭの吐出油は、圧油供給ライン３を経てアーム用切換弁ＡＭに至り、当該切換弁の操作量に従って一義的に定まる切換弁内の可変絞り１１、通路１８を経てアクチュエータであるアームシリンダ１９の油室２０に流入してアームシリンダ１９を駆動すると同時に、同シリンダの油室２１からの戻り油は通路４６、切換弁内通路４７、通路４３、分流補償弁３１の通路４５を経てタンク７へ排出されるようになっている。なお、参照符号２２Ａは他のアクチュエータ用の操縦桿を示し、高圧選択手段３５Ｃの高圧側圧力が高圧選択手段３５Ｂの右方に入力されている。

一方、この実施例の場合、固定容量ポンプＦＰＭから吐出される圧油がアーム用切換弁ＡＭの一方の操作端部ｂＡＭに作用すると、ライン３３上の圧油信号は高圧選択手段３５Ａ、３５Ｂを介してライン２５に至り合流用切換弁ＦＳＶＬの操作端部ｂＦＳに作用して固定容量ポンプＦＰＭの吐出ライン３６を、逆止弁４８、合流用切換弁ＦＳの入力ポート９、切換弁内の通路４１、及び合流通路１０を経て可変容量ポンプＶＰＭの圧油供給ライン３へ合流させるようになっている。

従って、このような状態では、アームシリンダ１９へは、固定容量ポンプＦＰＭの吐出量の全量と、アーム用切換弁ＡＭのメータイン側可変絞り１１での差圧が、定容量ポンプＦＰＭの吐出量との合計において、一定となるだけの可変容量ポンプＶＰＭの吐出油量とが供給される。

この場合には、可変容量ポンプＶＰＭの油量が合流されない場合に比較して、可変容量ポンプＶＰＭの吐出流量は少ないが、当該可変容量ポンプＶＰＭの可変最少流量を比較的小さく設定しておくことにより、可変絞り１１の開度に対して可変容量ポンプＶＰＭと固定容量ポンプＦＰＭとの合計流量が過剰となることはない。

従って、油圧ショベルの旋回アクチュエータを操作する場合には、当該切換弁ＳＷＶＬはオープンセンター型の切換弁であるので、当該切換弁を操作したとき、大きな慣性にも拘らず、異常な飛び出し感もなく、オープンシステムとしての良好な操作性を得ることができる。

一方、旋回アクチュエータを操作しない場合には、合流用切換弁ＦＳＶＬを介して旋回以外のアクチュエータへ固定容量ポンプＦＰＭの圧油を有効に活用でき、且つ上述のように可変容量ポンプＶＰＭに接続された当該切換弁のメータイン側開度に応じて可変容量ポンプＶＰＭの吐出油量が、固定容量ポンプＦＰＭと可変容量ポンプＶＰＭの合計油量でのメータイン側差圧が予め定められた値となるよう調整されるので、圧油供給ライン３の圧力は異常に上昇することもなく適切に維持される。従って、省エネに優れ、且つ各ポンプＶＰＭ、ＦＰＭの吐出油を有効に活用できる油圧システムを構成するようになっている。

さらにまた、従来の、可変容量ポンプＶＰＭだけを油圧源とするシステムにおいては、アーム、ブーム等の複数のアクチュエータを同時操作する場合には、当然ながら複数の切換弁のメータイン側可変絞りが圧油供給ライン３に対して開口するので、可変容量ポンプＶＰＭの単一吐出量全量をもってしてもメータイン側の差圧が定められた値に達せず、可変容量ポンプＶＰＭが飽和する場合があるが、本発明の例では、可変容量ポンプＶＰＭに加え、固定容量ポンプＦＰＭの吐出油をも合流するので、アクチュエータの合計必要量に対してポンプ吐出油量を確保することができる。その結果、複合操作性及び生産性に優れた油圧システムを形成することができる。

更には、システムＳＹＳ１のみの場合には、例えば図３において、可変容量ポンプＶＰＭの吐出流量は信号ライン３０、１４を経て切換弁のメータイン側の圧力がバイパスライン４上の圧力補償流量調整弁５に伝達され、且つこれがバイパスライン４の流量変化、圧力発生手段である絞り６の上流側圧力変化を生じさせ、この信号圧によって可変容量ポンプＶＰＭの吐出流量が調整されるという、各過程を経るので、寒冷環境下では切換弁の操作に対するポンプ吐出流量調整に遅れが生ずる等の問題があるが、本実施例では固定容量ポンプＦＰＭの吐出油が同時に合流されるので、切換弁を操作したときのアクチュエータの起動に遅れを生ずることがない。

なお、前記合流用切換弁ＦＳＶＬにおいても、切換弁の移動過程においては、図２に示すように中立位置イとストロークエンド位置ハとの中間位置を取るので、センターバイパス、ロ−１合流通路１０への接続通路ロ−２の、当該合流用切換弁のストロークに対する開度調整や、例えばアーム用切換弁ＡＭのストロークに対する絞り通路１１の変化量を適切に調整することにより、圧油供給ライン３に対する固定容量ポンプＦＰＭの合流のタイミングを良好に設定することができ、油圧システム全体として、従来技術に比較して非常に操作性及び油圧エネルギーの有効活用において、きわめて優れたシステムを構成することができる。

図４は、第２の制御弁ＣＶＬ２に内蔵されている上流側の旋回操作用切換弁ＳＷＶＬと下流側の合流用切換弁ＦＳＶＬをパラレルライン通路ＰＡＬで接続し且つ、同通路ＰＡＬ上に絞りＴＨＲを設けるようにした例である。

同図示のように、パラレルライン通路ＰＡＬは、合流用切換弁ＦＳＶＬの入力ポートと圧油供給ライン３Ａの間に形成されており、絞りＴＨＲが図示の如くパラレルライン通路ＰＡＬ上に配設されている。図１の第２の制御弁ＣＶＬ２においては、前述の如く、旋回操作用切換弁ＳＷＶＬが中立位置以外を選択すると固定容量ポンプＦＰＭの圧油供給ライン３Ａ上の圧油は旋回操作用切換弁ＳＷＶＬ内でブロックされ合流用切換弁ＦＳＶＬへは供給されない。

しかし、図４においては、パラレルライン通路ＰＡＬを介して一部が合流用切換弁ＦＳＶＬの入力ポートへ与えられる。その際絞りＴＨＲが設けられていることにより、合流用切換弁ＦＳＶＬに対する旋回操作用切換弁ＳＷＶＬの優先機能が確保されるようになっている。ここで、旋回操作用切換弁ＳＷＶＬの優先機能とは、オープンセンター型の旋回操作用切換弁ＳＷＶＬが合流用切換弁ＦＳＶＬの上流側に配置され、タンデム接続されていることにより実現されており、図１の場合でいえば、合流用切換弁ＦＳＶＬの操作中に旋回操作用切換弁ＳＷＶＬが操作されたとき、前記固定容量ポンプＦＰＭの圧油は合流用切換弁ＦＳＶＬに供給されず旋回操作用切換弁ＳＷＶＬにのみ供給されるという点で優先機能は絶対的である。

一方、図４の場合では、パラレルライン通路ＰＡＬ及び絞りＴＨＲを設けることにより合流用切換弁ＦＳＶＬの機能は、旋回操作用切換弁ＳＷＶＬが操作されたときでもその機能が失われることはなく、その意味で優先機能は相対的である。

図５は、第２の制御弁ＣＶＬ２内に、エンジンファン駆動油圧モータ用切換弁を設けた場合を例示する。同図５において、エンジンＥＮＧは前記可変容量ポンプＶＰＭ及び固定容量ポンプＦＰＭを駆動するものである。前記第２の制御弁ＣＶＬ２内には最下流側にオープンセンター型のエンジンファン駆動油圧モータ用切換弁ＦＮＶＬが設けられ、同切換弁ＦＮＶＬにはエンジン冷却用のファンＦＮを回転駆動する油圧モータＨＤＭＴＲが接続されている。

従って、上流側の切換弁ＦＳＶＬ、ＳＷＶＬが停止中、即ち、全てのアクチュエータが停止しているときに優先してエンジンファンを油圧駆動してエンジンＥＮＧを冷却することができるので、エンジン温度に応じて、エンジンファン駆動油圧モータ用切換弁ＦＮＶＬを操作することができ、寒冷環境での無駄なエンジン冷却を避けることができる。また同時に騒音低減を図ることもできる。

なお、以上の実施例の説明においては、第２のシステムＳＹＳ２における油圧ポンプは固定容量ポンプＦＰＭとして説明したが、これに限られるものではなく、可変容量ポンプＶＰＭであってもよい。また、第１の制御弁ＣＶＬ１と第２の制御弁ＣＶＬ２は別体として説明したが一体的に形成してもよい。

さらに、図１において、合流用切換弁ＦＳＶＬから合流ライン１０を経て圧油供給ライン３に供給される固定容量ポンプＦＰＭからの圧油の合流タイミングを正確に制御するため、信号ライン２５上に油電変換手段及び電油変換手段を設け、油電変換された圧油信号を電気的に遅延させて電油変換手段により圧油信号を再生するようにしてもよい。

本発明の基本的な構成を例示するものであって、破線で囲まれた２つのシステムＳＹＳ１とＳＹＳ２を有する。 合流用切換弁における切換弁の移動過程を示す図である。 図１におけるアーム用切換弁を、操作する場合における合流用切換弁の状態を示す図である。 第２の制御弁に内蔵されている上流側の旋回操作用切換弁と下流側の合流用切換弁をパラレルライン通路で接続し且つ、同通路上に絞りＴＨＲを設けた例を示す図である。 第２の制御弁内に、エンジンファン駆動油圧モータ用切換弁を設けた場合を例示する図である。

符号の説明

３ 圧油供給ライン
４ バイパスライン
５ 圧力補償流量制御弁
６ 絞り
７ タンク
８ 容量調整機構
９ 入力ポート
１０ 合流ライン
１１ 圧力発生手段
１９ アームシリンダ
２０、２１ 油室
２２、２２Ａ 操縦桿
３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ 高圧選択手段
ＣＶＬ１ 第１の制御弁
ＣＶＬ２ 第２の制御弁
ＦＮ 冷却ファン
ＦＮＶＬ エンジンファン駆動油圧モータ用切換弁
ＦＳＶＬ 合流用切換弁
ＨＤＭＴＲ 油圧モータ
ＯＰＴ オプション用切換弁
ＢＫＴ バケット用切換弁
ＡＭ アーム用切換弁
ＢＭ ブーム用切換弁
ＴＬ 左走行用切換弁
ＴＲ 右走行用切換弁
ＦＰＭ 固定容量ポンプ
ＶＰＭ 可変容量ポンプ
ＳＹＳ１ システム１
ＳＹＳ２ システム２

Claims (8)

1. 油圧ショベルに搭載された油圧アクチュエータに圧油を供給する可変容量形の第１のポンプ、前記油圧アクチュエータのそれぞれに対応する複数のクローズドセンター型切換弁を前記第１のポンプの圧油供給ラインに対してパラレルに接続形成してなる第１の制御弁及び、前記各切換弁を操作する切換弁操作手段を備え、前記切換弁を操作して前記第１のポンプからの圧油を前記アクチュエータへ供給すると共にその戻り油をタンクに排出し、前記アクチュエータへの供給油量を当該切換弁のメータイン側差圧が一定となるよう前記第１のポンプの吐出流量を調整するよう構成した第１のシステムと、
   前記油圧ショベルに搭載された旋回操作用の油圧アクチュエータに圧油を供給する可変または固定容量形の第２のポンプ及び、同第２のポンプの圧油供給ラインを前記第１のポンプの圧油供給ラインへ接続する合流用切換弁及び前記旋回操作用切換弁を内蔵するとともに前記各切換弁はオープンセンター型で形成され、前記合流用切換弁は前記第１のポンプに接続された切換弁操作信号で操作するよう形成した第２の制御弁を備えた第２のシステムとからなる油圧ショベル用油圧システム。
2. 請求項１において、前記旋回操作用切換弁は前記合流用切換弁に対し、前記第２のポンプの圧油供給ラインに関し優先機能を持つよう構成したことを特徴とする油圧ショベル用油圧システム。
3. 請求項２において、前記優先機能は第２のポンプへの切換弁接続順序を、前記合流用切換弁に対し前記旋回操作用切換弁を上流側に配置するとともにタンデム接続したことを特徴とする油圧ショベル用油圧システム。
4. 請求項２において、前記優先機能は第２のポンプへの切換弁接続順序を、前記合流用切換弁に対し前記旋回操作用切換弁を上流側に配置するとともに、これらをタンデムパラレル接続し且つ、当該パラレルラインに絞りを設けたことを特徴とする油圧ショベル用油圧システム。
5. 請求項１乃至４において、前記制御弁１と制御弁２とを一体的に形成したことを特徴とする油圧ショベル用油圧システム。
6. 請求項１乃至５において、前記第１のポンプ及び第２のポンプを駆動するエンジンと、当該エンジンの冷却用ファンを駆動する油圧モータと、同油圧モータへの圧油の給排を切換える切換弁とを備え、同切換弁は前記第２の制御弁内に形成されていることを特徴とする油圧ショベル用油圧システム。
7. 請求項１乃至６において、前記第１のポンプの圧油供給ラインからタンクラインに接続されるバイパスラインと、同バイパスライン上において上流側から順に設けられた圧力補償流量調整弁及び圧力発生手段とを備え、同圧力発生手段の上流側圧力により前記第１のポンプの吐出流量を調整するよう構成したことを特徴とする油圧ショベル用油圧システム。
8. 請求項１乃至７において、前記第１の制御弁中の切換弁の操作に応じて操作される前記第２の制御弁中の切換弁は、当該第１の制御弁の切換弁が所定ストローク移動後に前記第２のポンプの圧油供給ラインを前記第１のポンプの圧油供給ラインに接続するよう構成したことを特徴とする油圧ショベル用油圧システム。

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