JP2005138982A - 油圧ウインチの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウインチの巻上時の馬力を確保しつつ、巻下速度が速くなりすぎないようにする。
【解決手段】 油圧ポンプ１０からの圧油により駆動する巻上ドラム駆動用の可変容量形油圧モータ１１と、油圧モータ１１の巻上／巻下指令を発生する操作手段１５と、油圧モータ１１の回路圧Ｐｓに応じてモータ容量ｑを制御し、モータ回路圧Ｐｓを少なくともポンプリリーフ圧Ｐｒより低い所定のカットオフ圧（Ｐａ,Ｐａ＋Δｐ）に制限するカットオフ手段２１〜２３と、操作手段１５の巻上操作時におけるカットオフ圧（Ｐａ＋Δｐ）が巻下操作時におけるカットオフ圧Ｐａよりも大きくなるようにカットオフ手段２３を制御するカットオフ制御手段２４〜２６とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧モータの回路圧を所定のカットオフ圧に制限する油圧ウインチの制御装置に関する。

従来より、ウインチ駆動用モータに可変容量形油圧モータを用い、油圧モータの回路圧に応じてモータ容量（モータ傾転）を制御するようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。これによれば操作圧力の増加に伴いモータ容量を減少させるとともに、モータ回路圧がサーボ弁の設定圧（カットオフ圧）に達すると、サーボ弁の切換によりモータ容量がそれ以上減少しないように構成し、回路圧が所定のカットオフ圧より大きくなることを防止する。この場合、モータ回路圧をＰ，負荷トルクをＴ，モータ容量をｑとすると、一般に、Ｔ＝Ｐ・ｑ／２００πの関係が成立する。

実公平７−３０６２９号公報

ところで、油圧モータや減速機には機械効率が存在する。この機械効率は、負荷トルクを一定とした場合、巻上時には回路圧（モータ駆動圧）を大きくするように作用する。これに対し、巻下時には負荷トルクによってモータが回転させられるため、回路圧（保持圧）を小さくするように機械効率が作用する。したがって、同一の負荷トルクに対するモータ容量は巻上時よりも巻下時の方が小さくなり、巻下速度が巻上速度よりも速くなりすぎる。その結果、巻下を急停止した際に過大なサージ圧が発生するおそれがある。

本発明によるウインチの制御装置は、油圧ポンプからの圧油により駆動する巻上ドラム駆動用の可変容量形油圧モータと、油圧モータの巻上／巻下指令を発生する操作手段と、油圧モータの回路圧に応じてモータ容量を制御し、モータ回路圧を少なくともポンプリリーフ圧より低い所定のカットオフ圧に制限するカットオフ手段と、操作手段の巻上操作時におけるカットオフ圧が巻下操作時のカットオフ圧よりも大きくなるようにカットオフ手段を制御するカットオフ制御手段とを備えることを特徴とする。
油圧モータの傾転を変更する油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータにモータ回路圧を導くアクチュエータ駆動回路と、アクチュエータ駆動回路に介装され、モータ回路圧に応じて切り換わって、油圧アクチュエータへのモータ回路圧の流れを制御するサーボ弁とによりカットオフ手段を構成してもよい。
エンジン回転数が所定値未満では巻上操作時のカットオフ圧と巻下操作時のカットオフ圧が等しく、エンジン回転数が所定値以上では巻下操作時のカットオフ圧が巻上操作時のカットオフ圧よりも小さくなるようにカットオフ手段を制御することが好ましい。

本発明によれば、油圧モータの回路圧に応じてモータ容量を制御し、モータ回路圧を少なくともポンプリリーフ圧より低い所定のカットオフ圧に制限するカットオフ手段を設け、カットオフ手段の巻上操作時のカットオフ圧が巻下操作時のカットオフ圧より大きくなるようにしたので、巻上時に高馬力を出力することができるとともに、巻下速度が速くなり過ぎることを防止することができる。したがって、油圧機器にダメージを与えることなく、効率的に作業を行うことができる。

以下、図１〜図５を参照して本発明によるウインチの制御装置の実施の形態を説明する。
図１は、本発明が適用されるクレーンの構成を示す外観側面図である。図１のクレーンは、走行体１０１と、走行体１０１上に旋回可能に搭載される旋回体１０２と、旋回体１０２に起伏可能に支持されたブーム１０３とを有する。旋回体１０２には巻上ドラム１０５と起伏ドラム１０７が搭載され、巻上ドラム１０５の駆動により巻上ロープ１０４が巻き取りまたは繰り出され、吊り荷１０６が昇降する。また、起伏ドラム１０７の駆動により起伏ロープ１０８が巻き取りまたは繰り出され、ブーム１０３が起伏する。

本実施の形態に係わる制御装置の構成を図２に示す。図２は、巻上ドラム駆動用のウインチの油圧回路図である。図２に示すように、制御装置は、可変容量形油圧ポンプ１０と、一対のメイン管路１７,１８を介して供給される油圧ポンプ１０からの圧油によって駆動する可変容量形油圧モータ１１と、油圧ポンプ１０から油圧モータ１１への圧油の流れを制御する方向制御弁１２と、方向制御弁１２と油圧モータ１１の間に介装されるカウンターバランス弁１３と、ポンプ吐出圧を制限するリリーフ弁１４と、ウインチの駆動を指令する操作レバー１５と、操作レバー１５の操作に応じたパイロット圧を発生して方向制御弁１２を操作するリモコン弁１６と、油圧モータ１１のモータ容量（モータ傾転，モータ吸収量ともいう）を制御するモータ容量制御装置２０とを備える。油圧ポンプ１０のポンプ容量は、いわゆる馬力制御によりポンプ吐出圧に応じて制御される。

モータ容量制御装置２０は、以下のように構成される。油圧モータ１１にはモータ傾転を変化させるピストン２１が設けられている。ピストン２１の一方の油室２１ａには高圧選択弁２２により選択されたメイン管路１７または１８の高圧側の圧油が導かれ、他方の油室２１ｂにはサーボ弁２３を介して高圧選択弁２２からの圧油が導かれる。油室２１ｂ内のピストン径は油室２１ａ内のピストン径よりも大きい。したがって、サーボ弁２３が図示ｐ１位置にあるときは、油室２１ａ,２１ｂに互いに等しい圧力が作用してピストン２１は図示ｂ方向に移動し、モータ傾転は最小となる。一方、サーボ弁２３がｐ３位置に切り換わり、油室２１ｂ内の圧力がタンク圧になると、ピストン２１はａ方向に移動し、モータ傾転が増加する。サーボ弁２３がｐ２位置に切り換わるとモータ傾転が安定する。

サーボ弁２３のばね側パイロット室２３ａは油圧切換弁２４を介してパイロット油圧源２５に接続されている。油圧切換弁２４がイ位置に切り換わるとサーボ弁２４のばね側にばね２３ｓの設定圧Ｐａのみが作用し、油圧切換弁２４がロ位置に切り換わると設定圧Ｐａに加えてパイロット油圧源２５からのパイロット圧Δｐが作用する。

油圧切換弁２４は、巻上操作時に管路２６を介して導かれるリモコン弁１６からのパイロット圧により切り換わる。すなわち巻下操作時にイ位置に切り換わり、巻上操作時にロ位置に切り換わる。なお、巻上操作がなされると油圧切換弁２４が即座にロ位置に切り換わるようにばね２４ｓの付勢力が設定されている。

サーボ弁２３のパイロット室２３ｂには高圧選択弁２２からの圧力（ＰｄまたはＰｓ）が作用する。パイロット室２３ｂに作用する圧力がばね２３ｓ側に作用する圧力（ＰａまたはＰａ＋Δｐであり、以下これをカットオフ圧と呼ぶ）よりも小さいとサーボ弁２３はｐ１位置に切り換わり、カットオフ圧と等しいとｐ２位置に切り換わり、カットオフ圧よりも大きいとｐ３位置に切り換わる。なお、カットオフ圧（Ｐａ＋Δｐ）は、少なくともリリーフ弁１４のリリーフ圧Ｐｒよりも小さく設定される。具体的には、例えばＰａが１３Ｎ，Δｐが５Ｎ，ポンプリリーフ圧Ｐｒが３０Ｎに設定される。

以上のように構成した本実施の形態に係わる制御装置の動作を説明する。
（１）巻上時
操作レバー１５を巻上操作すると、リモコン弁１６からのパイロット圧ｐａにより方向切換弁１２が巻上側に切り換わり、油圧ポンプ１０からの圧油が方向切換弁１２，管路１８を介して油圧モータ１１に供給される。これにより油圧モータ１１が巻上方向に回転し、ウインチが巻上駆動される。また、リモコン弁１６からのパイロット圧ｐａは油圧切換弁２４にも作用し、油圧切換弁２４が位置ロに切り換えられる。これによりサーボ弁２３のパイロット室２３ａにはパイロット油圧源２５からのパイロット圧Δｐが作用し、カットオフ圧はＰａ＋Δｐとなる。

吊り荷が軽い場合等、油圧モータ１１に作用する負荷トルクＴが小さく、パイロット室２３ｂに作用する回路圧Ｐｓがカットオフ圧（Ｐａ＋Δｐ）より小さいと、サーボ弁２３はｐ１位置に切り換わる。これによりピストン２１はｂ方向に移動し、モータ容量ｑは最小ｑminとなる。したがって、操作レバー１５の操作量に応じて、油圧モータ１１を高速で駆動することができ、吊り荷を高速で巻上げることができる。

一方、負荷トルクＴが大きく、回路圧Ｐｓがカットオフ圧（Ｐａ＋ΔＰ）より大きいと、サーボ弁２３はｐ３位置に切り換わる。これによりピストン２１がａ方向に移動し、モータ容量ｑが増加する。このとき、負荷トルクＴ，回路圧Ｐｓ，モータ容量ｑ，油圧モータ１１と巻上ドラム１０５を連結する減速機の減速比ｉ，減速機の機械効率ηｇ（０＜ηｇ＜１），および油圧モータ１１の機械効率ηｍ（０＜ηｍ＜１）の間には、次式(I)の関係が成り立つ。
Ｔ＝ηｍ×ηｇ×Ｐｓ×ｑ×ｉ／２００π (I)
したがって、トルクＴを一定として吊り荷の落下を防ぐ場合、モータ容量ｑが増加すると回路圧Ｐｓが低下し、回路圧Ｐｓがカットオフ圧（Ｐａ＋ΔＰ）と等しくなってバランスする。このバランスした状態では、サーボ弁２３はｐ２位置に切り換わり、モータ容量ｑが負荷Ｔに応じた値に保持される。

負荷トルクＴとモータ容量ｑおよび回路圧Ｐｓの関係を図３に示す。図３の実線に示すように負荷トルクＴが所定値Ｔ１以下の領域では、モータ容量ｑは最小容量ｑminに保持され、負荷トルクＴの増加に伴い回路圧Ｐｓが増加する。負荷トルクＴが所定値Ｔ１を越えると、モータ容量ｑは負荷トルクＴの増加に伴い増加し、回路圧Ｐｓはカットオフ圧（Ｐａ＋ΔＰ）に保持される。この状態はモータ容量ｑが最大となるまで維持される。このときカットオフ圧（Ｐａ＋ΔＰ）はポンプリリーフ圧Ｐｒより低く設定されているので、負荷トルクＴが大きい場合にもポンプ吐出圧はリリーフ弁１４からリリーフすることなく、発生トルクの不足を防止することができる。

なお、負荷トルクＴが所定値Ｔ２に達するとモータ容量ｑが最大ｑmaxとなる。負荷トルクＴが所定値Ｔ２以上の領域では、負荷トルクＴの増加に伴い回路圧Ｐｓが増加する。したがって、回路圧Ｐｓがリリーフ圧Ｐｒに達するまでは十分な発生トルクが出力され、高負荷巻上作業を行うことができる。

（２）巻下時
操作レバー１５を巻下操作すると、方向切換弁１２が巻下側に切り換わり、油圧ポンプ１０からの圧油が方向切換弁１２，管路１７を介して油圧モータ１１に供給されるとともに、管路１７からの圧油がカウンターバランス弁１３のパイロットポートに作用し、カウンタバランス弁１３を開放する。これにより油圧モータ１１が巻下方向に回転し、ウインチが巻下駆動される。このとき、リモコン弁１６からのパイロット圧ｐｂは油圧切換弁２４に作用しないので、油圧切換弁２４はイ位置に切り換えられ、カットオフ圧はＰａとなる。

巻下時の負荷トルクＴが所定値Ｔ１よりも小さく、回路圧Ｐｓがカットオフ圧Ｐａより小さいと、サーボ弁２３はｐ１位置に切り換わってモータ容量ｑは最小ｑminとなる。したがって、操作レバー１５の操作量に応じて吊り荷を高速で巻下げることができる。この場合、負荷Ｔが小さいので、操作レバー１５を戻し操作した際の回路圧Ｐｓの急上昇、すなわちサージ圧の発生は問題とならない。

一方、回路圧Ｐｓがカットオフ圧Ｐａより大きいと、サーボ弁２３がＰ３位置に切り換わる。これにより回路圧Ｐｓがカットオフ圧Ｐａと等しくなるまでモータ容量ｑが増加し、回路圧Ｐｓとカットオフ圧Ｐａとがバランスするとサーボ弁２３はＰ２位置に切り換わる。これにより高負荷時の巻下速度が制限される。この場合、巻下時のカットオフ圧Ｐａを巻上時のカットオフ圧（Ｐａ＋Δｐ）よりも小さくしたので、以下のように巻下速度が巻上速度よりも速くなり過ぎることを防止できる。

巻下時には、油圧モータ１１に吊り荷の負荷による回転力が作用し、油圧モータ１１はポンプ作用をするので、負荷トルクＴ，回路圧Ｐｓ,Ｐｄ，モータ容量ｑ，減速比ｉ，減速機の機械効率ηｇ，および油圧モータ１１の機械効率ηｍの間には、次式(II)の関係が成り立つ。
Ｔ×ηｍ×ηｇ＝（Ｐｓ−Ｐｄ）×ｑ×ｉ／２００π (II)
上式(II)において、Ｐｄは低圧であるため無視すると、式(II)は次式(III)となる。
Ｔ×ηｍ×ηｇ＝Ｐｓ×ｑ×ｉ／２００π (III)
ここで、上式(I)と上式(III)を負荷トルク同一として比較すると、巻下時の回路圧Ｐｓは巻上時の回路圧Ｐｓのηｍ２ηｇ２倍となり、巻下時の回路圧は巻上時の回路圧よりも低い（図３の点線）。したがって、巻下時のカットオフ圧を巻上時のカットオフ圧と等しくすると、所定の高負荷トルクＴに対する巻下時のモータ容量ｑは巻上時のモータ容量ｑよりも小さくなり、巻下速度が速くなりすぎる。

これに対して本実施の形態のように巻下時のカットオフ圧Ｐａを巻上時のカットオフ圧（Ｐａ＋Δｐ）よりも小さくすると、カットオフ圧を等しくした場合に比べて巻下時のモータ容量ｑが大きくなる。その結果、巻下速度を低減することができ、サージ圧の発生を防止することができる。この場合、Ｐａ／（Ｐａ＋ΔＰ）＝ηｍ２ηｇ２となるように機械効率ηｍ,ηｇに応じてＰａ,ΔＰを設定すれば、負荷Ｔに対するモータ容量ｑの推移が巻下時と巻上時で互いに等しくなる。これにより巻上速度と巻下速度を等しくすることができる。

本実施の形態に係わるウインチの制御装置によれば、回路圧Ｐｓ,Ｐｄに応じたサーボ弁２３の切換によりモータ容量ｑを制御し、回路圧Ｐｓをサーボ弁２３のカットオフ圧に制限するとともに、巻下時のカットオフ圧Ｐａを巻上時のカットオフ圧（Ｐａ＋Δｐ）よりも小さくするようにした。これにより機械効率ηｍ,ηｇの影響により巻下時の回路圧Ｐｓが小さくなった場合に、巻下速度が速くなりすぎることを防止することができる。その結果、サージ圧の発生を低減し、油圧モータ１１やカウンターバランス弁１３などの油圧機器を保護することができる。また、巻上時の回路圧Ｐｓを巻下時の回路圧Ｐｓよりも大きくすることができ（図３）、吊り荷の巻上にとって十分な高馬力を発生することができる。したがって、油圧機器にダメージを与えることなく、効率的に作業を行うことができる。巻上時のカットオフ圧（Ｐａ＋Δｐ）をポンプリリーフ圧Ｐｒよりも小さくしたので、高負荷巻上作業時に回路圧Ｐｓがリリーフ弁１４からリリーフすることが防止され、巻上作業時のトルク不足を解消することができる。巻上パイロット圧ｐａにより油圧切換弁２４を切り換えてカットオフ圧を変化させるので、コントローラ等の電気部品が不要であり、安価に構成できる。

なお、上記実施の形態では、巻上操作の開始直後に巻上パイロット圧ｐａによって油圧切換弁２４をオンオフ的に切り換えるようにしたが、図４に示すように油圧切換弁２４を電磁比例弁１００として構成することもできる。この場合、操作レバー１５のパイロット回路に巻上操作と巻下操作を検出するための圧力センサ１０１,１０２を設け、圧力センサ１０１,１０２の検出値およびエンジン回転数Ｎを検出する回転数センサ１０３からの検出値に応じてコントローラ１０４が電磁比例弁１００を制御するようにしてもよい。

例えば、図５に示すように巻上時には、常にサーボ弁２３に所定のパイロット圧Δｐを出力するように電磁比例弁１００を制御し、巻下時には、エンジン回転数Ｎが所定値Ｎ１未満では所定のパイロット圧Δｐを出力し、エンジン回転数Ｎが所定値Ｎ１以上になるとエンジン回転数の増加に伴いパイロット圧が徐々に低下するようにしてもよい。これによりエンジン回転数Ｎが低い領域で巻下速度を速くすることができる。すなわち、エンジン回転数Ｎが低い領域ではサージ圧の発生は問題とならないので、エンジン回転数Ｎに応じてカットオフ圧を変更することで、サージ圧を抑え作業効率を高めることができる。エンジン回転数以外のサージ圧と相関のある他のパラメータに応じて電磁比例弁１００を制御するようにしてもよい。

上記実施の形態では、回路圧Ｐｓがカットオフ圧未満においてモータ容量を最小容量ｑminに固定したが、例えば操作レバー５１の操作量に応じてモータ容量ｑを変更するようにしてもよい。すなわち巻下時のカットオフ圧が巻上時のカットオフ圧より低いのであれば、モータ容量ｑの特性は上述したものに限らない。巻上操作時にサーボ弁２３のばね側パイロット室２３ａにパイロット圧Δｐを導くようにしたが、巻下操作時に反対側のパイロット室２３ｂにパイロット圧Δｐを導き、巻下時のカットオフ圧をＰａ−Δｐとなるようにしてもよい。

巻上操作時に巻上パイロット圧ｐａを管路２６を介して油圧切換弁２４に導き、油圧切換弁２４の切換によりサーボ弁２３のばね側パイロット室２３ａにパイロット圧Δｐを作用させるようにしたが、巻下時のカットオフ圧を巻上時のカットオフ圧より低くするのであれば、カットオフ制御手段の構成はこれに限らない。例えば圧力スイッチにより巻上／巻下操作を検出し、巻上操作時に油圧切換弁２４を切り換えるようにしてもよい。

上記では、カットオフ手段をピストン２１，高圧選択弁２２，サーボ弁２３により構成し、モータ傾転変更用の油圧アクチュエータとしてピストン２１を用い、シャトル弁２３からピストン２１の油室２１ｂに圧油を導くようにアクチュエータ駆動回路を形成したが、他の油圧アクチュエータ，アクチュエータ駆動回路を用いてもよく、サーボ弁２３以外（例えば電磁比例弁等）を用いてもよい。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の制御装置に限定されない。

本発明が適用されるクレーンの外観側面図。 本実施の形態に係わるウインチの制御装置の構成を示す油圧回路図。 本発明の実施の形態に係わる制御装置による動作特性を示す図。 図２の変形例を示す図。 図４のコントローラにおける制御内容を示す図。

符号の説明

１０ 油圧ポンプ １１ 油圧モータ
１４ リリーフ弁 １５ 操作レバー
１６ リモコン弁 ２１ ピストン
２２ 高圧選択弁 ２３ サーボ弁
２４ 油圧切換弁 ２５ パイロット油圧源
２６ 管路 １００ 電磁比例弁
１０１,１０２ 圧力センサ １０３ 回転数センサ
１０４ コントローラ

Claims (3)

1. 油圧ポンプからの圧油により駆動する巻上ドラム駆動用の可変容量形油圧モータと、
   前記油圧モータの巻上／巻下指令を発生する操作手段と、
   前記油圧モータの回路圧に応じてモータ容量を制御し、モータ回路圧を少なくともポンプリリーフ圧より低い所定のカットオフ圧に制限するカットオフ手段と、
   前記操作手段の巻上操作時におけるカットオフ圧が巻下操作時におけるカットオフ圧よりも大きくなるように前記カットオフ手段を制御するカットオフ制御手段とを備えることを特徴とする油圧ウインチの制御装置。
2. 請求項１に記載の油圧ウインチの制御装置において、
   前記カットオフ手段は、
   前記油圧モータの傾転を変更する油圧アクチュエータと、
   前記油圧アクチュエータにモータ回路圧を導くアクチュエータ駆動回路と、
   前記アクチュエータ駆動回路に介装され、前記モータ回路圧に応じて切り換わって、前記油圧アクチュエータへのモータ回路圧の流れを制御するサーボ弁とを有することを特徴とする油圧ウインチの制御装置。
3. 請求項１または２に記載の油圧ウインチの制御装置において、
   エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段を有し、
   前記カットオフ制御手段は、検出されたエンジン回転数が所定値未満では巻上操作時のカットオフ圧と巻下操作時のカットオフ圧が等しく、エンジン回転数が前記所定値以上では巻下操作時のカットオフ圧が巻上操作時のカットオフ圧よりも小さくなるように前記カットオフ手段を制御することを特徴とする油圧ウインチの制御装置。

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