JP2007217992A

JP2007217992A - 建設機械の動作制御装置

Info

Publication number: JP2007217992A
Application number: JP2006040984A
Authority: JP
Inventors: Manabu Ito; 学伊藤; Tadao Osuga; 忠男大須賀; Takashi Kubo; 隆久保
Original assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】旋回を電動機で駆動するハイブリッドショベルにおける最適な旋回の動作制御及びブームとの複合操作ができるようにするとともに、アタッチメントを元の位置に素早く戻して、サイクルタイムを短縮し、作業の効率化が図れるようにする。
【解決手段】発電機３３に電力コントローラ３７を介してバッテリ３８と旋回用電動機３９とを接続し、これらの間で、相互に電気エネルギーの授受を可能にするとともに、電力コントローラ３７に旋回操作レバー４３の操作量に対して旋回用電動機３９により駆動される旋回部の旋回速度を複数段階に切り換え可能なモード選択手段４１を接続した。また、エンジン３１により発電機３３及び油圧ポンプ３４を駆動し、油圧ポンプ３４を駆動源とするブーム上げ操作と発電機３３またはバッテリ３８からの電気エネルギーを駆動源とする旋回部の旋回操作を複合的に行った場合に、旋回部の旋回速度を複数段階に切り換え可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は油圧ショベル等の建設機械の動作制御装置に関するものであり、特に、旋回を電動機で駆動する建設機械の動作制御装置に関するものであり、更には、ブーム上げ操作と上部旋回体の旋回操作を同時に行う複合操作型の建設機械の動作制御装置に関するものである。

図４は、従来から建設機械として知られる油圧ショベルの一例を示す。図４において、油圧ショベル１０は、クローラ式の下部走行体１１の上に、旋回機構１２を介して、上部旋回体１３を縦軸まわりに旋回自在に搭載している。また、上部旋回体１３には、その前方側部にキャブ１４が設けられているとともに、前方中央部にブーム１５とアーム１６とバケット１７、及び、これらを駆動するアクチュエータとしてのブームシリンダ１８，アームシリンダ１９，バケットシリンダ２０からなる掘削アタッチメント２１を取り付けている。

従来、このような油圧ショベル等の建設機械においては、一般に、ブーム上げ動作及び上部旋回体の旋回動作は共に油圧駆動で行われていた。この形式では、ブーム上げと旋回の複合動作を同時に行った場合、負荷の小さい方に圧油が流れてしまい、思った通りの制御ができないという問題があった。

そこで、この問題を解決するために、圧力補償等によるバルブにより、ブームシリンダと旋回モータへの圧油の流量調整を可能としたもの（例えば、特許文献１参照）や、コントローラで最適な流量配分を演算し、ブーム上げと旋回の複合動作の起動時にはブーム上げを優先させ、その後に旋回動作を優先させるもの（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。

また、近年、地球温暖化、エネルギーの枯渇、原油高騰により環境面を考慮し、エネルギー効率のよいハイブリッド自動車が出現し、建設機械においても、エンジンで駆動される発電機の電気エネルギーと、その発電機の電気エネルギーを充電したバッテリの電気エネルギーで複数の電動機を駆動し、一部の電動機でブームシリンダ等のアクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプを駆動し、他の電動機で旋回動作及び走行動作を行わせるようにしたハイブリッドショベルが提案されている（例えば、特許文献３、特許文献４参照）。
特開平１０−３７２５０号公報。特開２００５−８３４２７号公報。特開２００１−３３９８号公報。特開２００２−２４２２３４号公報。

特許文献１及び特許文献２に記載される発明は、いずれもブームシリンダと旋回モータへの流量配分により圧油の供給を行うものであるが、特許文献１に記載される発明は、圧力補償弁の開度を調節して行うため、バラツキがあり、精度に欠けるという問題がある。

一方、特許文献２に記載される発明は、コントローラで圧油ポンプの最適な流量配分を演算し、その信号をレギュレータに導出して第１油圧ポンプと第２油圧ポンプの流量に差をつけるものであるため、ブーム上げと旋回が独立している場合は問題がないが、通常、ブーム上げは合流回路により第１油圧ポンプと第２油圧ポンプの流量を合流させるため、第１油圧ポンプと第２油圧ポンプの流量に差をつけるだけでは、正確な流量配分を行うことができない。

特許文献３及び４に記載される発明は、一部の電動機でブームシリンダ等のアクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプを駆動し、他の電動機で旋回動作及び走行動作を行わせるハイブリッドショベルではあるが、旋回の動作制御及びブーム上げと旋回の複合操作については特に明示されていない。

そこで、旋回を電動機で駆動するハイブリッドショベルにおける最適な旋回の動作制御及び複合操作、特に油圧ポンプを駆動源とするブーム上げ操作と電動機を駆動源とする上部旋回体の旋回操作を同時に行う複合操作において、ブーム上げ操作と上部旋回体の旋回操作を最適、かつ、効果的に行うことができるようにするとともに、アタッチメントを元の位置に素早く戻して、サイクルタイムを短縮し、作業の効率化を図るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、エンジンにより駆動される発電機を具備し、該発電機の電気エネルギーまたは該発電機の電気エネルギーを充電させたバッテリからの電気エネルギーを駆動源とする旋回部の旋回操作を行うことが可能な建設機械の動作制御装置において、前記発電機に電力コントローラを介して前記バッテリと旋回用電動機とを接続し、前記発電機と前記バッテリと前記旋回用電動機の間で、相互に電気エネルギーの授受を可能にするとともに、前記電力コントローラに、前記旋回部の旋回量を操作する旋回操作レバーの操作量を検出する旋回検出手段と、前記旋回用電動機により駆動される旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を複数段階に切り換え可能なモード選択手段を接続した建設機械の動作制御装置を提供する。

この構成によれば、旋回部の旋回操作を行う前にモード選択手段によりモードを選択し、または、旋回部の旋回操作を行っている途中で、モード選択手段を操作してモードを切り換えると、旋回を電動機で駆動するハイブリッドショベルにおいて、作業内容に適した旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を得ることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、エンジンにより発電機及び油圧ポンプを駆動し、該油圧ポンプを駆動源とするブーム上げ操作と上記旋回部の旋回操作を複合的に行った場合に、上記旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を複数段階に切り換え可能にした建設機械の動作制御装置を提供する。

この構成によれば、ブーム上げ操作と旋回部の旋回操作を行う前にモード選択手段によりモードを選択し、または、ブーム上げ操作と旋回部の旋回操作を複合的に行っている途中で、モード選択手段を操作してモードを切り換えると、ブーム上げ操作に対する上部旋回体の旋回操作の形態を切り換えることができ、ブーム上げ操作は油圧ポンプから供給される圧油で行われ、旋回部の旋回操作は発電機またはバッテリからの電気エネルギーにより電力コントローラを介して行われるというように、動力源を別にして駆動させることができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、モード選択手段により選択されるモードを、旋回操作レバーの操作量に応じて旋回用電動機に供給される電気エネルギーが、旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）よりもブームの上昇速度が優先するようにして供給されるハイダンプモードと、ブームの上昇速度よりも旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）が優先するようにして供給されるローダンプモードとした建設機械の動作制御装置を提供する。

この構成によれば、モード選択手段を操作することにより、旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）よりもブームの上昇速度が優先するハイダンプモード、あるいはブームの上昇速度よりも旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）が優先するローダンプモードに切り換えて動作を行わせることができる。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の発明において、ブーム上げと旋回を同時操作した場合にモード選択手段によるモード選択を可能とし、他の操作ではモード選択が自動的に解除される建設機械の動作制御装置を提供する。

この構成によれば、モード選択手段によりモード選択をしてブーム上げと旋回の複合操作を行った後に、アタッチメントを元の位置に戻すためにブーム下げと旋回の複合操作等を行った場合、選択したモードが自動的に解除され、クイックリターンが可能になる。

請求項１記載の発明は、旋回部の旋回操作を行う前にモード選択手段によりモードを選択し、または、旋回部の旋回操作を行っている途中で、モード選択手段を操作してモードを切り換えると、旋回を電動機で駆動するハイブリッドショベルにおいて、上部旋回体の旋回操作の形態を、最適、かつ、効果的な制御の形に簡単に切り換えることができ、作業内容に適した旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を得ることができる。

請求項２記載の発明は、ブーム上げ操作と旋回部の旋回操作を行う前にモード選択手段によりモードを選択し、または、ブーム上げ操作と旋回部の旋回操作とを複合的に行っている途中で、モード選択手段を操作してモードを切り換えると、ブーム上げ操作に対する上部旋回体の旋回操作の形態を、最適、かつ、効果的な制御の形に簡単に切り換えることができ、ブーム上げ操作は油圧ポンプから供給される圧油で行われ、旋回部の旋回操作は発電機またはバッテリからの電気エネルギーにより電力コントローラを介して行われるというように、動力源が別々であるため、それぞれの動作が確実になされる。

請求項３記載の発明は、ブーム上げ操作と旋回部の旋回操作を行う前にモード選択手段によりモードを選択し、または、ブーム上げ操作と旋回部の旋回操作を複合的に行っている途中で、モード選択手段を操作してモードを切り換えると、ブームの上昇速度が旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）より優先するハイダンプモード、あるいは旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）がブームの上昇速度より優先するローダンプモードに切り換えて動作を行わせることができるので、実作業に適したハイダンプモード又はローダンプモードを予め設定しておけば操作性の向上及び作業の効率化を図ることができる。

請求項４記載の発明は、モード選択手段によりモード選択をしてブーム上げと旋回の複合操作を行った後に、アタッチメントを元の位置に戻すためにブーム下げと旋回の複合操作等行った場合、選択したモードが自動的に解除され、クイックリターンが可能になり、サイクルタイムを短縮することができ、作業の効率化を図ることができる。

以下、本発明のハイブリッド建設機械について、好適な実施例をあげて説明する。旋回を電動機で駆動するハイブリッドショベルにおける最適な旋回の動作制御及び複合操作、特に油圧ポンプを駆動源とするブーム上げ操作と電動機を駆動源とする上部旋回体の旋回操作を同時に行う複合操作において、ブーム上げ操作と上部旋回体の旋回操作を最適、かつ、効果的に行うことができるようにするとともに、アタッチメントを元の位置に素早く戻して、サイクルタイムを短縮し、作業の効率化を図るという目的を達成するために、エンジンにより駆動される発電機を具備し、該発電機の電気エネルギーまたは該発電機の電気エネルギーを充電させたバッテリからの電気エネルギーを駆動源とする旋回部の旋回操作を行うことが可能な建設機械の動作制御装置において、前記発電機に電力コントローラを介して前記バッテリと旋回用電動機とを接続し、前記発電機と前記バッテリと前記旋回用電動機の間で、相互に電気エネルギーの授受を可能にするとともに、前記電力コントローラに、前記旋回部の旋回量を操作する旋回操作レバーの操作量を検出する旋回検出手段と、前記旋回用電動機により駆動される旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を複数段階に切り換え可能なモード選択手段を接続することにより、また、エンジンにより発電機及び油圧ポンプを駆動し、該油圧ポンプを駆動源とするブーム上げ操作と旋回部の旋回操作を複合的に行った場合に、旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を複数段階に切り換え可能にすることにより、更に、前記モード選択手段によりモード選択をしてブーム上げと旋回の複合操作を行った後に、アタッチメントを元の位置に戻すためにブーム下げと旋回の複合操作等行った場合、選択したモードを自動的に解除させることにより実現した。

図１は本発明の実施例として示すハイブリッド建設機械のシステムブロック図である。このシステムを、図４に示した油圧ショベルに適用した場合として説明する。

エンジン３１の出力軸には、変速機３２を介して発電機３３及び油圧ポンプ３４がパラレルに連結されている。また、エンジン３１には、エンジン回転数を制御するメインコントローラ３５と、このメインコントローラ３５に設定回転数を指示するスロットルボリューム３６とが連結されている。なお、メインコントローラ３５は、システム全体を制御するものであり、マイクロコンピュータを主体として構成されている。

発電機３３は、電力コントローラ３７を介してバッテリ３８と上部旋回体を回転させる旋回用電動機３９とに接続されており、エンジン３１の回転力が作用しているときには発電し、旋回用電動機３９に電気エネルギーを供給するとともに、余力があるときには電力コントローラ３７の制御下で発電電力をバッテリ３８に蓄える。バッテリ３８は、旋回用電動機３９が駆動するとき、発電機３３の電気エネルギーだけでは足りない場合に、電力コントローラ３７の制御下で電気エネルギーを旋回電動機３９に給電する。

電力コントローラ３７は、メインコントローラ３５と結線され、該メインコントローラ３５の制御下で、バッテリ３８、旋回用電動機３９、ブーム下げ時に油圧モータ５１により駆動される回生用発電機４０との間の給電制御を行う。この電力コントローラ３７には、更にモード選択手段４１及び旋回検出手段としてのポテンショメータ４２が接続されている。そして、電力コントローラ３７は、モード選択手段４１及びポテンショメータ４２からの信号に基づいて制御を行うだけでなく、発電機３３、バッテリ３８及び旋回用電動機３９の間で、相互に電気エネルギーの授受を可能にするために、インバータ及びコンバータとしての機能も有する。なお、発電機３３、バッテリ３８及び旋回用電動機３９の間で、相互に電気エネルギーの授受を可能としたのは、発電機３３が電動機として、また、旋回用電動機３９が発電機として機能させる場合があるからであり、具体的には、旋回用電動機３９の慣性力で回生電気エネルギーを発生させ、その回生電気エネルギーをバッテリ３８に蓄電し、該バッテリ３８から発電機３３に電気エネルギーを供給して油圧ポンプ３４の駆動をアシストすることも可能である。

旋回用操作レバー４３は、上部旋回体の旋回を操作するための操作部材であり、該旋回用操作レバー４３を傾倒操作すると、この傾倒操作に連動してポテンショメータ４２が動作し、旋回操作レバー４３の操作量がポテンショメータ４２から電力コントローラ３７に入力されるようになっている。なお、旋回検出手段は、ポテンショメータ４２に替えて圧力センサを使用してもよい。

モード選択手段４１は、旋回操作レバー４３の操作量に対応して旋回用電動機３９に付与される電気エネルギー供給量に変化を与える異なるタイプの、例えばマップ等をモード別に複数有していて、選択されたモードに対応するマップに準じて、旋回操作レバー４３の操作量に対する大きさの電気エネルギーを旋回用電動機３９に供給する。このモード選択手段４１において、その選択できるモードとしては、例えばブーム上げ速度を優先するハイダンプモードと旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を優先するローダンプモード等があり、その選択されたモードにより、そのモードに応じた電気エネルギーを、旋回操作レバー４３の操作量に応じて旋回用電動機３９に供給する。

油圧ポンプ３４は、図４に示したブームシリンダ１８，アームシリンダ１９，バケットシリンダ２０等を有する油圧シリンダ４４を駆動するもので、油圧ポンプ３４からの圧油は、コントロールバルブ４５を介して油圧シリンダ４４に供給される。そのコントロールバルブ４５は、油圧ポンプ３４と作動油タンク４６と油圧シリンダ４４の、３者間の油流路の制御を行うものであり、該コントロールバルブ４５は、パイロットポンプ５０のパイロット圧を導出するリモコン弁４８の操作でコントロールされる。そのリモコン弁４８は操作レバー４７で操作される。

前記コントロールバルブ４５と油圧シリンダ４４のロッド押出し（ボトム）側油室を連通する油路にバルブ４９を介挿し、該バルブ４９からの迂回油路に前記回生用発電機４０を駆動する油圧モータ５１が設けられている。そして、前記バルブ４９を切り換えることにより、油圧シリンダ４４からの排出油で油圧モータ５１を回転し、回生用発電機４０を駆動させる。該回生用発電機４０で発電された電気エネルギーは電力コントローラ３７を介してバッテリ３８に蓄えられる。

次に、以上のように構成された建設機械の動作を説明する。エンジン３１を始動し、スロットルボリューム３６でエンジン回転数を所定の回転数に設定して、発電機３３及び油圧ポンプ３４を駆動する。

そして、ブーム上げと旋回の複合操作を行う場合は、ブーム用操作レバー４７によるブーム上げ操作と旋回用操作レバー４３による旋回操作とを同時に操作する。ブーム用操作レバー４７によるブーム上げ操作を行うと、パイロットポンプ５０のパイロット圧が、リモコン弁４８を介して、コントロールバルブ４５のブーム上げ側ポジションのパイロット制御部（イ）に導出され、コントロールバルブ４５が切り換わる。この切り換えで、油圧ポンプ３４の圧油が油圧シリンダ４４のロッド押出し(ボトム)側油室に供給され、ブームが上方に揺動する。

一方、モード選択手段４１により、例えばブーム上げ優先のハイダンプモードまたは旋回優先のローダンプモードのいずれかを選択し、旋回用操作レバー４３を操作すると、旋回検出手段としてのポテンショメータ４２から電力コントローラ３７に信号が導出される。信号を受けた電力コントローラ３７は、選択されたモードに応じた電気エネルギーを、モード選択手段４１のマップに従って旋回用電動機３９に供給し、ハイダンプモードまたはローダンプモード、あるいはその他の複合動作を行わせる。

図２は、モード選択手段４１で切り換えられる各モードでのマップの一例を示すものである。このマップでは、縦軸にブーム上昇量、横軸に旋回角度をとり、また複合動作の始点と終点がほぼ同じになるようにして、中間におけるブーム上昇量を変えたもので、Ａモードの場合は、掘削位置と放出（積込）位置の間に障害物がなく、略最短距離の軌跡を得るようにしたものであり、一方、Ｂモードの場合は、掘削位置と放出（積込）位置の間に障害物があるため、複合動作の初期にブーム上げを優先し、旋回量に比べてブーム上昇量を大きくし、複合動作の終盤で旋回量が急激に増えるように設定してある。

図３は、同じくモード選択手段４１で切り換えられる別の各モードでのマップの一例を示すものである。このマップでは、縦軸にブーム上昇量、横軸に旋回角度をとり、またブーム上昇量または旋回角度が異なる場合である。ローダンプモードＬでは、ブーム上昇量は少ないが旋回角度が大きく、旋回を優先させるように設定してあり、ハイダンプモードＨでは、旋回角度は小さいがブーム上昇量が大きく、ブーム上げを優先させるように設定してある。

したがって、本実施の建設機械によれば、モード選択手段４１で図２に示すＡモードあるいはＢモード、または図３に示すローダンプモードＬあるいはハイダンプモードＨのいずれかを選択して、旋回用操作レバー４３とブーム用操作レバー４７を操作すると、希望する複合動作を簡単に行わせることができる。

また、ブーム上げは、油圧ポンプ３４から供給される圧油で行われ、旋回は発電機３３またはバッテリ３８からの電気エネルギーにより、電力コントローラ３７を介して行われ、動力源が別々であるため、それぞれの動作が確実になされる。

一方、前記モード選択手段４１によりモード選択をしてブーム上げと旋回の複合操作を行った場合、特に、旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）が小さい前記ハイダンプモードＨのような場合は、その後、アタッチメントを元の位置に戻すためにブーム下げと旋回の複合操作を行う際、旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）が小さいままではサイクルタイムを短縮することができないので、これを防止するために前記リモコン弁４８とコントロールバルブ４５のブーム下げ側ポジションのパイロット制御部（ロ）を繋ぐパイロット油路とメインコントローラ３５の間に圧力スイッチ５２を介挿し、該圧力スイッチ５２によりブーム下げを検出した場合にメインコントローラ３５から電力コントローラ３７に信号を導出し、モード選択を自動的に解除させることにより旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を大きくでき、サイクルタイムを短縮させることができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然であり、具体的には、上記実施例ではエンジンにより駆動される発電機と油圧ポンプをパラレルに配設した場合について説明したが、発電機と油圧ポンプをシリーズに配設した場合も含まれることは言うまでもない。

本発明の実施例として示すハイブリッド建設機械のシステムブロック図。モード選択手段により切り換え設定されるモードの一例を、ブーム上昇量と旋回角度との関係で説明する図。モード選択手段により切り換え設定されるモードの他の例を、ブーム上昇量と旋回角度との関係で説明する図。一般的な建設機械の一例として示す油圧ショベルの側面図。

符号の説明

３１エンジン
３２変速機
３３発電機
３４油圧ポンプ
３５メインコントローラ
３６スロットルボリューム
３７電力コントローラ
３８バッテリ
３９旋回用電動機
４０回生用発電機
４１モード選択手段
４２ポテンショメータ(旋回検出手段)
４３旋回用操作レバー
４４油圧シリンダ
４５コントロールバルブ
４６作動油タンク
４７ブーム用操作レバー
４８リモコン弁
４９バルブ
５０パイロットポンプ
５１油圧モータ
５２圧力スイッチ

Claims

エンジンにより駆動される発電機を具備し、該発電機の電気エネルギーまたは該発電機の電気エネルギーを充電させたバッテリからの電気エネルギーを駆動源とする旋回部の旋回操作を行うことが可能な建設機械の動作制御装置において、
前記発電機に電力コントローラを介して前記バッテリと旋回用電動機とを接続し、前記発電機と前記バッテリと前記旋回用電動機の間で、相互に電気エネルギーの授受を可能にするとともに、
前記電力コントローラに、前記旋回部の旋回量を操作する旋回操作レバーの操作量を検出する旋回検出手段と、前記旋回用電動機により駆動される旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を複数段階に切り換え可能なモード選択手段を接続したことを特徴とする建設機械の動作制御装置。
上記エンジンにより発電機及び油圧ポンプを駆動し、該油圧ポンプを駆動源とするブーム上げ操作と上記旋回部の旋回操作を複合的に行った場合に、上記旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）を複数段階に切り換え可能にしたことを特徴とする請求項１記載の建設機械の動作制御装置。
上記モード選択手段により選択されるモードを、上記旋回操作レバーの操作量に応じて上記旋回用電動機に供給される電気エネルギーが、上記旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）よりも上記ブームの上昇速度が優先するようにして供給されるハイダンプモードと、前記ブームの上昇速度よりも前記旋回部の旋回速度（旋回加速度又は旋回トルク）が優先するようにして供給されるローダンプモードとしたことを特徴とする請求項２記載の建設機械の動作制御装置。
ブーム上げと旋回を同時操作した場合に上記モード選択手段によるモード選択を可能とし、他の操作ではモード選択が自動的に解除されるようにしたことを特徴とする請求項２又は３記載の建設機械の動作制御装置。