JP2007100317A - 掘削作業機 - Google Patents

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Abstract

【課題】掘削作業機における、溝横当て掘削作業において、油圧系統の高効率化を図る為、供給ポンプ及び旋回モータの構造変更を含んだ、油圧回路の改善を課題とする。
【解決手段】掘削部、走行部を駆動させる第1ポンプP1及び第2ポンプP2と、旋回部を駆動させる第3ポンプP3と、で構成された、一体型油圧ポンプを有する掘削作業機において、その第3ポンプをギア式とすることで、ポンプ全長をコンパクトに抑え、旋回部の旋回モータを可変容量式とすることで、溝横当て掘削作業においても効率的な運転を実現できる。
【選択図】図13

Description

本発明は、掘削作業機の油圧装置に関し、より詳細には、旋回モータを可変容量型として、負荷に応じて回転数を変更し、任意に旋回速度を変更可能とする技術に関する。
従来、掘削作業機の構成要素としては、主に走行部、旋回部、掘削部等からなり、これらの駆動部には、油圧式のアクチュエータが使用される。走行部はクローラ式走行装置からなり、該走行部の中心上部に、旋回台軸受けを介して旋回部を配設し、該旋回部にブーム、アーム、バケット等からなる掘削部を回動可能に配設する。
前記油圧式アクチュエータに圧油を送油するための油圧ポンプは、エンジンにより駆動され、複数配設される。例えば、第1油圧ポンプ(P1)及び第2油圧ポンプ(P2)を一体式の可変容量形プランジャポンプとし、第3油圧ポンプ(P3)を固定容量型(トロコイドポンプやギヤポンプ等)として、第1油圧ポンプ(P1)及び第2油圧ポンプ(P2)から吐出された作動油は、クローラ式走行装置、ブームシリンダー、アームシリンダー等へ供給され、第3油圧ポンプ(P3)から吐出された作動油は、旋回部の旋回モータへ供給するように構成した技術が一般的に知られている。
このような構成の場合、外的原因による負荷変動に対してフレキシブルに対応できず、常に一定の出力を発揮し、非効率的であった。この問題を改良すべく、図3に示すように、第3油圧ポンプ(P3)を、第1及び第2油圧ポンプ(P1、P2)と同様、可変容量形ピストンポンプとし、且つ、これら油圧ポンプの吐出量制御を、第3ポンプ(P3)の吐出圧にて実施することにより、旋回モータの高負荷時は、自動的に吐出量を抑え、高効率な油圧ポンプの運転を可能としていた(特許文献1参照)。
また、旋回モータの高効率運転に関しては、別の方法として、旋回モータ側を可変容量形とし、電磁式切換弁を介して、吐出量を制御する技術(特許文献2参照)が公知になっている。更に、低速旋回動作の必要な状況を、狭隘な現場での旋回動作に限定した上で、掘削部を最大限に引き込んだ定位置をあらかじめコントローラに記憶させておき、その所定状態に掘削部をセットすると、自動的に旋回モータの吐出量が制御される、電気的自動制御回路を有した、旋回モータの技術(特許文献3参照)も公知となっている。
特開2003−221842号公報 特開平6−17447号公報 特開平6−346483号公報
ところで、掘削作業機により「溝横当て掘削」という作業がある。図4(a)は、掘削作業の状況を示した図であり、(b)は、溝掘削時の一場面を示した図である。「溝横当て掘削」作業において、地盤が硬く、真直ぐに掘削しようとしても、バケットが逃げてしまう場合には、該バケット側面を溝の内側面に押し当てながら掘削する。この時、掘削作業機の旋回部は、常に旋回力を付加している状態にある。これにより、バケットの逃げは防がれ、硬い地盤でも真直ぐに掘削することが可能となるが、旋回部の旋回モータにおいては、常に負荷をかけることになる。即ち、旋回モータには旋回力を打ち消す逆向きのトルクが常に付加され、回転停止の状態にあり、その結果、第3油圧ポンプ(P3)から供給される作動油は出口を失い、圧力上昇を伴う。この圧力上昇対策としては、回路上において、事前にリリーフバルブを配設し、油圧力が設定値を超えると、強制的に供給タンクへ逃がすこととしているが、第3油圧ポンプ(P3)側からみれば、単に供給タンクから供給タンクへ循環させるだけの仕事しか行っておらず、非常に非効率である。
この非効率を是正するべく、上記に記した、第3油圧ポンプ(P3)の可変容量方式の採用等の対応策が提案されたが、第3油圧ポンプはプランジャを往復動させるために、図5に示すように、ポンプ全長が長くなり、旋回半径内に納めることが困難となっていた。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、請求項1においては、旋回型掘削作業機の油圧装置において、旋回台を旋回駆動させる旋回モータを可変容量型に構成するとともに、負荷を検知する手段をモータ容量変更手段と接続し、負荷が増加すると旋回モータのモータ容量を増加して旋回速度が低下するように制御することを特徴としたものである。
請求項2においては、前記旋回モータは、アキシャルピストン型とし、斜板の傾斜角を変更することにより容量を変更可能としたものである。
請求項3においては、前記旋回モータの容量を変更可能とする斜板を、油圧アクチュエータにより傾倒可能に構成し、該油圧アクチュエータへの圧油供給油路を、旋回モータと、該旋回モータへの送油方向を切り換える切換弁との間に接続したものである。
請求項4においては、前記旋回モータの容量を、モータ容量増加側に固定する手段を請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の掘削作業機に設けたものである。
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
請求項1においては、負荷が増加すると旋回モータの容量を変更する構成としたので、油圧ポンプは可変容量機能を具備する必要がなくなり、固定容量型で構成することができ、構造が単純で、該油圧ポンプのコンパクト化を図ることができ、油圧ポンプを複数同一軸上に配置する場合に全長を短くすることができる。また、掘削作業時においてはパワーロスを低減することができる。
請求項2においては、旋回モータを斜板の斜角を変更する構成としたので、シンプル、且つコンパクトな該旋回モータの実現が図れる。
請求項3においては、旋回モータの作動圧で斜板を傾倒駆動するので、構造が簡単で、確実に動作させて、出力制御を実現することができる。
請求項4においては、周囲に干渉物が存在する、狭隘な現場でも、任意に旋回速度を低速域に切り替えることができ、確実且つ安全な作業を実現することができる。
次に、発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の一実施例における掘削装置の全体的な構成を示した全体図、図2は従来の油圧ポンプの構成を示す油圧系統図、図3は従来の公知技術における、油圧ポンプの構成を示す油圧系統図である。図4は溝横当て掘削作業の構成を示す図、図5は掘削装置において、油圧ポンプの配置を示す概略図、図6は旋回モータを可変容量型とした、油圧ポンプの構成を示す油圧系統図、図7は第3ポンプを固定容量型とした油圧ポンプの断面図である。図8は第1及び第2ポンプの構成他例におけるシリンダーバレルとバルブプレートの構成を示す図、図9は従来の公知技術における第3ポンプを可変容量型とした油圧ポンプと、本発明における固定容量型とした油圧ポンプと、の全長比較図、図10は可変容量型とした、旋回モータの断面図、図11は旋回自然降下の状態を示す、概略図、図12は旋回モータ用斜板角制御圧の取出位置を示す、油圧系統図、図13は旋回モータの出力流量に関する、低速固定手段を設けた油圧系統図である。
本発明が用いられる、掘削作業機1の全体構成について説明する。
図1に示すように、掘削作業機1は、走行部2、旋回部3、掘削部4等により構成される。走行部2は、クローラ式走行装置5・5と、その前後一端部に上下回動可能に配設される排土板6等からなり、起伏の激しい悪路条件でも容易に走行可能な機能を有する。旋回部3は、該クローラ式走行装置5・5の上部中央に軸支された、旋回台軸受け7と、該旋回台軸受け7上に配設される旋回台8と、該旋回台8上に配置される操縦部等からなり、該エンジンや油圧ポンプ等がボンネット9により覆われ、操縦部はキャビン10により覆われる。掘削部4は、ブーム11やアーム12やバケット13等から構成される。
掘削部を回動するために油圧アクチュエータが装備されている。具体的には、前記ブーム11とブームブラケット14との間には、ブームシリンダー16が配設され、該ブームブラケット14と旋回台8との間には図示しないスイングシリンダーが配置され、ブーム11とアーム12との間には、アームシリンダー17が配設され、該アーム12とバケット装着部15との間には、バケットシリンダー18が配設されている。また、旋回台8内部に旋回モータ21が配置され、旋回台8を旋回可能に構成している。更に、走行部2には排土板6を昇降するための排土板シリンダー(図示せず)が配置され、クローラ式走行装置5・5には左右の走行モータが配設されている。
次に本発明における、油圧回路について説明する。
図6に示すように、エンジンEの出力軸に3基の油圧ポンプ(P1、P2、P3)が連設されて駆動される。油圧ポンプP1・P2から吐出される圧油がそれぞれ切換弁を介してブームシリンダー16、スイングシリンダー、アームシリンダー17、バケットシリンダー18、排土板シリンダー、走行モータと接続されて駆動可能としている。油圧ポンプP3からの圧油は切換弁25を介して旋回モータ21と接続され、旋回駆動可能としている。
前記第1油圧ポンプP1及び第2油圧ポンプP2は、角度変更可能な斜板22を有する可変容量形の油圧ポンプで構成され、第3油圧ポンプP3は、固定容量型の油圧ポンプで構成される。
第1油圧ポンプP1及び第2油圧ポンプP2の斜板22は、制御プランジャー(ピストン)23の伸縮により角度が制御される。即ち、該制御プランジャー23の先端が斜板22に当接され、該制御プランジャー23の背室と第3油圧ポンプP3の吐出側とが油路45により連通され、負荷等により該第3ポンプP3の吐出側圧力が上昇すると、制御プランジャー23が第1油圧ポンプP1及び第2油圧ポンプP2の斜板22を押して吐出量が制御される構成としている。26はリリーフバルブ26であり、過負荷のときには圧油をリリーフするようにしている。
第3油圧ポンプP3と旋回モータ21の間には、手動式の切換弁25が配設され、操縦部に設けた操作手段により切換操作可能としている。この切換により旋回モータ21の旋回方向を変更可能としている。該旋回モータ21は、可変容量形のモータで構成しており、本実施例では、斜板27を角度変更可能としてモータ容量を変更して、出力回転数を変更可能としている。そして、負荷を検知する手段をモータ容量変更手段となる制御プランジャー28と接続し、負荷が増加すると旋回モータ21のモータ容量を増加して旋回速度が低下するように制御している。即ち、該旋回モータ21と前記切換弁25の二次側との間には油路71・72が連通され、該油路71・72の間にシャトル弁70の二つの入力ポートが接続されている。該シャトル弁70の出力ポートは前記斜板27の角度を変更する制御プランジャー28の背室と接続されている。該制御プランジャー28の先端はバネ73を介して斜板27と当接されている。
このような構成において、切換弁25を切り換えて旋回モータ21を駆動し、旋回部3を旋回させる。このとき、負荷が大きくなり、高圧側(送油側)の油路71(または油路72)の油圧が前記バネ73により設定した設定圧以上となると、シャトル弁70を介してその圧油が制御プランジャー28の背室に入り、バネ73に抗して斜板27をモータ容量が増加する方向に傾倒させる。この斜板27の回動により旋回モータ21の回転数は減少し、パワーロスを低減することができるのである。なお、本実施例では、切換弁25と旋回モータ21の間のモータ作動圧で負荷を検知して直接アクチュエータ(制御プランジャー28)を作動させる構成としているが、該油路71(または油路72)に油圧センサーを配置して、該油圧センサーで検知した値を制御手段で設定値と比較して、設定値より大きくなると負荷が増加したと判断して、モータやソレノイド等で斜板をモータ容量増加側に回動させるように構成することも可能である。
次に本発明における、油圧ポンプ31(P1、P2、P3)の全体構成について説明する。
図7に示すように、油圧ポンプ31は、第1油圧ポンプP1及び第2油圧ポンプP2を一体的に構成した可変容量型の油圧ポンプ32と、第3油圧ポンプP3となる固定容量型の油圧ポンプ42と、から構成され、油圧ポンプ32と油圧ポンプ42の間に油路盤37が配設される。
油圧ポンプ32は、シリンダーバレル35に収納されたピストン36が、その先端において斜板22と係合され、該斜板22の傾斜に沿って該ピストン36先端の当接部を回動することにより、該ピストン36は、連動して往復運動を繰り返す。
また、該油圧ポンプ32は、筐体となるポンプケース43内に収納され、中心に回動自在に入力軸48が支持されている。そして該入力軸48は、該シリンダーバレル35、バルブプレート38、該斜板22の中心に挿入される。
シリンダーバレル35には、2種類の吐出ポートが設けられており、外側の吐出ポートが第一油圧ポンプP1の吐出ポートに、内側の吐出ポートが第二油圧ポンプP2の吐出ポートに、それぞれ利用される。即ち、図8に示すように、バルブプレート38には、第1油圧ポンプP1の吐出ポート40と、第2油圧ポンプP2の吐出ポート41と、共通の吸入ポート39が穿設されており、前記吐出ポート40は吐出ポート41の外側に設けられている。こうして、入力軸48が回転されることによりシリンダーバレル35も回転し、ピストン36が往復駆動されて、該吸入ポート39から入り込んだ作動油は、該吐出ポート40及び該吐出ポート41から排出され、それぞれクローラ走行装置5の走行モータ、ブームシリンダー16、アームシリンダー17等に供給される。尚、斜板22の両側に突出した回動軸は、該ポンプケース43に枢支され、該斜板22の一端は調節部44と当接している。
調節部44は、圧縮コイルバネ74と、該圧縮コイルバネ74の一端に嵌合した当接ピン50と、他端に嵌合したネジ部30からなり、該圧縮コイルバネ74は入力軸48と平行状にポンプケース43内に収納し、前記ネジ部は油路盤37に螺設して回動することによりバネ圧を調節可能とし、前記当接ピン50は、前記斜板22の一端と当接される。
一方、該調節部44との対向側の斜板22には、制御プランジャー23と、制限ストッパー46が配設されている。
制御プランジャー23は、入力軸48と平行に、且つその延出方向へ摺動自在に挿嵌されている。そして、その先端は、斜板22と当接されている。
該制御プランジャー23の収納室の背室側には前記油路45が連通され、該油路45の端側は油圧ポンプ42の出力ポートと繋がっている。これにより、第3ポンプP3において、負荷が大きくなり吐出圧が上昇すると、該制御プランジャー23が突出して斜板22を回動し、吐出量を減少させることとなる。
制限ストッパー46は、ポンプケース43の内面において、入力軸48に対して制御プランジャー23と反対側に並設して固設される。即ち、該制御プランジャー23の突出により斜板22の旋回角度が吐出量減少方向に回動する場合、該制限ストッパー46の当接によって、設定角度以下の旋回角度を規制し吐出量の下限を保持するものである。
油圧ポンプ42は、前記のとおりギヤポンプを構成する。即ち、ケーシング33とカバー47より構成される空間内に、インボリュート歯形状を有した一対の外接歯車34・34を軸支し、該歯車34・34の回動時に、噛合い位置から離れ個所にて発生する低圧部分により吸入作業を行い、他方より吐出するものである。
一対の該外接歯車34・34は、一方を入力軸29、他方を従動軸49とし、該入力軸29の先端部は、前記油圧ポンプ32の入力軸48と、ブッシングを介して連結される。
次に本発明における、旋回モータ21の全体構成について説明する。
図10に示すように、旋回モータ21は、吸入した作動油によりトルクを発生させる出力部51と、発生したトルクを増幅する減速部52と、で構成される。
旋回モータ21の出力部51は、前記油圧ポンプ31を構成する第一、第二油圧ポンプ32と略同一の構造を有する。出力部51は、ケーシング53と、カバー54と、で構成される内部空間に、シリンダーバレル55と、バルブプレート56と、ピストン57と、斜板27等と、で構成される、ピストン機構を有した、可変容量形アキシャルピストンモータである。
シリンダーバレル55に収納されたピストン57は、その先端において斜板27と係合(または当接)されている。また、該シリンダーバレル55には、該斜板27と対峙する側にバルブプレート56を配設する。該バルブプレート56には、2個所のポートが設けられており、吸入ポート、吐出ポートとして、それぞれ前記油圧ポンプ31のポートと連通されている。
前記油圧ポンプ31から圧送された作動油は、ピストン57を延出方向へ押動する。押動された該ピストン57の先端部が傾倒した斜板27に沿って伸長するためシリンダーバレル55が回転する。即ち、油圧ポンプ31から圧送された作動油により出力軸59が回転する。該出力軸59から減速部52を介して旋回ギヤと噛合させて旋回台を旋回駆動するようにしている。尚、該斜板27は、該ケーシング53に枢支され、一端が制御プランジャー28と当接され、該制御プランジャー28を伸縮させることにより斜板27の角度を変更可能として、出力軸59の回転数を変更可能としている。
制御プランジャー28は、出力軸59と平行に、且つその延出方向へ摺動自在に挿嵌されている。そして、その先端は、斜板27と当接されている。
該制御プランジャー28の背室側には、油路が連通され、該油路の他端は旋回モータ21に連通される油路71・72の間に配置されるシャトル弁70の吐出側に接続されている。このような構成において、旋回部3を旋回させるために、手動式切換弁25を左右一側方向に切り換えると、該手動式切換弁25の二次側に接続した油路71・または油路72の油圧が上昇し、旋回モータ21が駆動されるとともに、シャトル弁70を介して制御プランジャー28の背室側にも送油される。このとき、負荷が大きくなり、バネ73により設定した油圧よりも大きくなると、斜板27を更に傾倒させるように伸長し、モータ容量が増加して正解速度が低下し旋回トルクを増加させるのである。
減速部52は、ケーシング58の内部に配設された遊星歯車60と、該ケーシング58に回動可能に挿嵌された出力軸63と、で構成される。
前記シリンダーバレル55の軸心位置に固定された前記出力軸59の下部には同一軸心延長上に入力軸64が連動連結され、該入力軸64の下部外周にサンギヤ75が形成されている。該サンギヤ75にはキャリア78に回転自在に軸支したプラネタリギヤ76と噛合し、該プラネタリギヤ76は更にケーシング58の内面に形成したインターナルギヤ77と噛合し、遊星歯車60を形成している。前記キャリア78は前記入力軸63と同心状にその下方に配置した出力軸63の上端に固設され、該出力軸63の下部はケーシング58より下方に突出され、該出力軸63の下端外周にギヤを形成して、クローラ式走行装置上部の旋回台軸受部に配置した旋回ギヤと噛合されている。こうして減速して動力を出力できるようにしている。
次に本発明における、旋回自然降下対策の詳細について説明する。
図11は、掘削作業機1を傾斜状態にて放置した状態の側面図であり、傾斜地において、掘削部4が傾斜方向に対して直角方向に向けた状態で停止することがある。このように、旋回台8を旋回させた状態にて保持しつつ、掘削作業機1を長時間放置した場合、該掘削部4の自重により、該旋回台8が旋回下降する現象が生じる。即ち、旋回自然降下は、旋回油圧モータのリークにより生じる。よって、旋回油圧モータの出力軸にかかる圧力が大きいほど旋回自然降下がおき易くなる。
そこで、図6に示すように、前述のごとく、旋回モータ21の制御プランジャー28による制御圧の取出を手動切換弁25と旋回モータ21の間から取り出すようにしている。つまり、手動切換弁25と旋回モータ21の間を連通する油路71・72と制御アクチュエータとなる制御プランジャーと接続している。このような油路構成とすることで、上記手動式切換弁25が中立状態においては、掘削作業機1の自重によって傾斜に沿って旋回台が旋回しようとするとき、油路71または油路72に油圧がかかってシャトル弁70を介して制御プランジャー28の背室側に圧油が送油されて、斜板27は大容量側に傾斜するように付勢されている。従って、旋回モータ21の高圧側の油路71(または72)の油圧は制御プランジャー8がない場合に比べて下がり、保持圧が下がり、リークしにくくなるのである。一方、図12に示すように、該制御プランジャー28の作動油の取出個所を、該手動式切換弁25の入力側と油圧ポンプとの間に接続する構成も考えられるが、切換弁25が中立の時、切換弁25の入力側はドレンされているため、制御プランジャー28の背室側の圧力は低く斜板27は小容量側となっているため、保持圧、つまり、高圧側の油路71(または73)の油圧は前記制御プランジャー28の背室側よりも高くなりリークし易くなっている。よって、本発明においては、該制御プランジャー28の作動油取出個所を、手動式切換弁25と旋回モータ21の間としている。
また、狭い現場や精度の高い作業が要求される等の作業では、旋回速度を低下させたい場合がある。そこで、本発明は、前記斜板27を低速側に固定する手段を設けている。即ち、図13に示すように、低速固定手段は前記旋回モータ21の斜板27に当接させた制御プランジャー28と並列に低速固定用アクチュエータとしてシリンダ61を設け、該低速固定用シリンダに低速固定用切換弁62の二次側が接続される。該低速固定用シリンダ61に圧油を送油するために、第4油圧ポンプP4が切換弁62の一次側に接続されている。但し、第4ポンプP4の代わりに、前記第1ポンプP1から第3ポンプP3のうちのいずれかから圧油を供給する構成とすることも可能である。また、アクチュエータは油圧シリンダに限定するものではなく、モータやソレノイド等で構成することも可能であり、この場合スイッチの操作で切り換える。
このような構成において、低速固定手段となる低速固定用シリンダ61及び低速固定用切換弁62を前記制御回路に追加することにより、狭い現場等で、ゆっくり慎重に旋回しながら作業を行なう場合などでは、低速固定用切換弁62を切り換えると、低速固定用シリンダ61に圧油が送油されて伸長し、この伸長により、斜板27がモータ容量増加側に傾倒される。こうして同じ圧油が旋回モータ21に送油されても回転数が減少され、旋回モータ21の旋回速度を落とすことが可能となるのである。
本発明の一実施例における掘削装置の全体的な構成を示した全体図。 従来の油圧ポンプの構成を示す油圧系統図。 従来の公知技術における、油圧ポンプの構成を示す油圧系統図。 溝横当て掘削作業の構成を示す図。 掘削装置において、油圧ポンプの配置を示す概略図。 旋回モータを可変容量型とした、油圧ポンプの構成を示す油圧系統図。 第3ポンプを固定容量型とした油圧ポンプの断面図。 第1及び第2ポンプの構成他例におけるシリンダーバレルとバルブプレートの構成を示す図。 従来の公知技術における第3ポンプを可変容量型とした油圧ポンプと、本発明における固定容量型とした油圧ポンプと、の全長比較図。 可変容量型とした、旋回モータの断面図。 旋回自然降下の状態を示す、概略図。 旋回モータ用斜板角制御圧の取出位置を示す、油圧系統図。 旋回モータの出力流量に関する、低速固定手段を設けた油圧系統図。
符号の説明
P1 第1油圧ポンプ
P2 第2油圧ポンプ
P3 第3油圧ポンプ
P4 第4油圧ポンプ
21 旋回モータ
22 斜板
23 制御プランジャー
24 油圧タンク
25 手動式切換弁
26 リリーフ弁
27 斜板
28 制御プランジャー
31 油圧ポンプ
61 アクチュエータ
62 手動式切換弁

Claims (4)

  1. 掘削作業機の油圧装置において、旋回台を旋回駆動させる旋回モータを可変容量型に構成するとともに、負荷を検知する手段をモータ容量変更手段と接続し、負荷が増加すると旋回モータのモータ容量を増加して旋回速度が低下するように制御することを特徴とする掘削作業機。
  2. 前記旋回モータは、アキシャルピストン型とし、斜板の傾斜角を変更することにより容量を変更可能とすることを特徴とする請求項1に記載の掘削作業機。
  3. 前記旋回モータの容量を変更可能とする斜板を、油圧アクチュエータにより傾倒可能に構成し、該油圧アクチュエータへの圧油供給油路を、旋回モータと、該旋回モータへの送油方向を切り換える切換弁との間に接続したことを特徴とする請求項1に記載の掘削作業機。
  4. 前記旋回モータの容量を、モータ容量増加側に固定する手段を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の掘削作業機。
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