JP2009275775A - 流体圧シリンダ制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ駆動に消費される動力を低減しても位置エネルギを効率的に回収できる流体圧シリンダ制御回路を提供する。
【解決手段】シリンダCyのヘッド側は、アキュムレータ制御弁１を介してアキュムレータAccに接続し、再生制御弁２を介してロッド側に接続する。容量可変型のポンプPpの吐出側通路はポンプ流量制御弁３に接続し、閉止制御弁４を介してシリンダCyに接続する。制御装置５は、荷重体の荷重を受けてシリンダCyが縮小するときにポンプPpまたはポンプ流量制御弁３を制御してポンプPpからシリンダCyのロッド側に供給されるポンプ流量を減少させると同時に、再生制御弁２を開くことにより荷重を受けたシリンダCyを縮小方向に加速し、所定のシリンダ速度にてアキュムレータ制御弁１を開くことによりアキュムレータAccにヘッド側からの流量を供給して蓄圧させる機能を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置エネルギ回収用のアキュムレータを備えた流体圧シリンダ制御回路に関する。

ブームシリンダにより作業機を上下動する油圧式掘削機において、ブームシリンダのヘッド側を蓄圧器操作弁を介して蓄圧器（アキュムレータ）に接続するとともに、可変リリーフ弁を介してタンクに接続し、作業機の位置に応じて、蓄圧器操作弁および可変リリーフ弁を制御して、作業機の重量とバランスする油圧を蓄圧器内に発生させる油圧式掘削機の位置エネルギ回収活用装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平０１−１９９００１号公報（第２−３頁、第１図）

この従来のものは、ブームシリンダのヘッド側から流出した戻り油の一部を蓄圧器操作弁を経て蓄圧器に蓄えるが、可変リリーフ弁を経てタンクに排出される油量も多く、また、ポンプを駆動してブームシリンダのロッド側に作動油を供給するので、位置エネルギの回収効率が良くない。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ポンプ駆動に消費される動力を低減しても位置エネルギを効率的に回収できる流体圧シリンダ制御回路を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、容量可変型のポンプから荷重体上下動用の片ロッド型の流体圧シリンダに供給されるポンプ流量を制御するポンプ流量制御弁と、流体圧シリンダのロッドのないヘッド側に連通可能な蓄圧用のアキュムレータと、流体圧シリンダのヘッド側とアキュムレータとの間の通路中に設けられて少なくとも流体圧シリンダのヘッド側からアキュムレータへの流体の流れを制御するアキュムレータ制御弁と、流体圧シリンダのヘッド側からロッド側への液の再生流量を制御する再生制御弁と、荷重体の荷重を受けて片ロッド型の流体圧シリンダが縮小するときに容量可変型のポンプおよびポンプ流量制御弁の少なくとも一方を制御してポンプから流体圧シリンダのロッド側に供給されるポンプ流量を減少させ、再生制御弁を開くことにより荷重を受けた流体圧シリンダを縮小方向に加速し、所定のシリンダ速度にてアキュムレータ制御弁を開くことによりアキュムレータにヘッド側からの流量を供給して蓄圧させる機能を備えた制御装置とを具備した流体圧シリンダ制御回路である。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載の流体圧シリンダ制御回路における制御装置が、最初は再生制御弁を開いて流体圧シリンダのヘッド側から流出した流体をロッド側に再生する加速優先制御で制御し、シリンダ速度が目標速度に到達したら再生制御弁を絞ってアキュムレータに蓄圧される流体流量を増加させる昇圧優先制御に切換える機能を備えたものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１または２記載の流体圧シリンダ制御回路における制御装置が、アキュムレータ圧の増加に応じてアキュムレータ制御弁の開度を上げ、全開後、流体圧シリンダのヘッド側の圧力が増加したら、再生制御弁を開く機能を備えたものである。

請求項４に記載された発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の流体圧シリンダ制御回路において、ポンプ流量制御弁の出口側に設けられた閉止制御弁を具備したものである。

請求項５に記載された発明は、請求項１乃至４のいずれか記載の流体圧シリンダ制御回路における荷重体を、油圧ショベルの作業装置とし、片ロッド型の流体圧シリンダを、作業装置を上下方向に回動する油圧シリンダとしたものである。

請求項１に記載された発明によれば、制御装置は、荷重体の荷重を受けて片ロッド型の流体圧シリンダが縮小するときに、容量可変型のポンプおよびポンプ流量制御弁の少なくとも一方を制御してポンプから流体圧シリンダのロッド側に供給されるポンプ流量を減少されることで、ポンプ駆動に要するエネルギを低減でき、しかも、このときに、再生制御弁を制御して流体圧シリンダのヘッド側から流出した流体をロッド側へ再生させる再生流量を制御することで、流体圧シリンダのヘッド側に蓄積された位置エネルギを無駄に廃棄することなく、ロッド側に有効に再生させて、ロッド側の流体圧により荷重体を所定の下降速度まで迅速に加速することができ、下降時の速度および応答性を確保できるとともに、ポンプから吐出されたポンプ流量を用いなくても、荷重体が持つ位置エネルギを運動エネルギに変換して、流体圧シリンダのロッド側およびヘッド側の圧力を高めることができ、この状態で、アキュムレータ制御弁を制御して開くことで、アキュムレータに位置エネルギを効率良く回収できる。

請求項２に記載された発明によれば、制御装置は、再生制御弁を開いて加速優先制御で制御してから、荷重体の下降速度が目標速度に到達したら再生制御弁を絞って昇圧優先制御に切換えるので、アキュムレータに蓄圧される圧力を初期ヘッド圧以上に高めることも可能であり、アキュムレータに位置エネルギを効率良く回収できる。

請求項３に記載された発明によれば、制御装置は、アキュムレータ圧の増加に応じてアキュムレータ制御弁の開度を上げ、全開後、ヘッド圧が増加したら、再生制御弁を開くことで、ヘッド圧を高圧に維持したまま荷重体の下降速度を一定に維持することができる。

請求項４に記載された発明によれば、流体圧シリンダのヘッド側からロッド側への再生時に、ポンプ流量制御弁でタンク側への通路を閉じることができないときにも、この閉止制御弁を閉じることで、再生流量のタンクへの排出を防止して、再生効率を向上できる。

請求項５に記載された発明によれば、油圧ショベルのブームが下降するときに、ブームが有する位置エネルギをアキュムレータに効率よく回収できる。

以下、本発明を、図１乃至図３に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図３に示されるように、作業機械としての油圧ショベル10は、機体11に対し荷重体としての作業装置12が可動的に設けられ、この作業装置12は、機体11と、この機体11に対し上下方向回動自在に軸支されたブーム13とに、油圧シリンダとしてのブームシリンダ14の基端部およびロッド先端部が回動自在に連結され、さらに、ブーム13と、このブーム13の先端部に回動自在に軸支されたアーム15とに、アームシリンダ16の基端部およびロッド先端部が回動自在に連結され、さらに、アーム15と、このアーム15の先端部に回動自在に軸支されたバケット17とに、バケットシリンダ18の基端部およびロッド先端部のリンケージ19が回動自在に連結されている。

ブームシリンダ14は、作業装置12の全体の荷重Ｗを受けて縮小動作が可能な流体圧シリンダであり、以下、この種の流体圧シリンダを、単にシリンダCyという。

図１は、位置エネルギを効率的に回収できる制御システムのシステム構成を示し、シリンダCyのヘッド側は、アキュムレータ制御弁１の一部であるエネルギ蓄積制御用の蓄積制御弁1aを経た通路によりアキュムレータAccに連通可能に設けられ、アキュムレータAccを介し反対側にはアキュムレータ制御弁１の一部であるエネルギ放出制御用の放出制御弁1bが設けられている。

また、シリンダCyのヘッド側とロッド側とを連通可能な通路中には再生制御弁２が設けられている。

さらに、ポンプPpの吐出側通路はポンプ流量制御弁３の供給ポートに接続され、このポンプ流量制御弁３の一方の出力ポートは、通路Ｍを経てシリンダCyのヘッド側に連通され、他方のポートは、閉止制御弁４を介してシリンダCyのロッド側に接続されている。

蓄積制御弁1aは、シリンダCyのヘッド側からアキュムレータAccまたはタンクＴへの流れを方向制御および流量制御するエネルギ蓄積用制御弁であるが、アキュムレータAccとタンクＴとの切替は、別の弁を用いても良い。

放出制御弁1bは、アキュムレータAccからシリンダCyのヘッド側への流れを制御する蓄積工ネルギ放出用の弁であり、アキュムレータ制御弁１に１つにまとめて共用することもできる。

この放出制御弁1bがあれば、アキュムレータAccに蓄積されたエネルギを再利用するときの注入先を、位置エネルギ回収先のシリンダCy（ブームシリンダ14）以外の他の回路とすることも可能となる。

また、この放出制御弁1bにより、接続先をポンプ流量制御弁３の下流側としているが、接続先をポンプ流量制御弁３の上流側に変更することもできる。この場合、アキュムレータAccを利用するときのポンプ出力が大きくなり、省エネルギ上は望ましくないが、接続先のフレキシビリティ上は有利である。

再生制御弁２は、シリンダCyのヘッド側からロッド側への再生流量を制御する弁であり、全開時の開口面積が大きな弁を選定する。

ポンプ流量制御弁３は、各荷重体駆動装置（ブームシリンダ14、アームシリンダ16、バケットシリンダ18等）に注入されるポンプ流量および各荷重体駆動装置からタンクＴへ戻される戻り流量を方向制御および流量制御するコントロール弁であり、注入流量と戻り流量との関係が固定されるスプール弁でもよいが、注入流量と戻り流量との関係を複数のロジック弁で別々に制御できるようにすることが望ましい。

閉止制御弁４は、シリンダCyのヘッド側からロッド側への再生時にポンプ流量制御弁３でタンクＴ側への流路を完全に閉じることができないときに、シリンダCyのヘッド側からタンクＴへの流路を閉じる補助弁である。

なお、図１では、流体ポンプおよび１つの荷重体駆動装置を構成するシリンダ（ブームシリンダ14等）を１セットのみ示したが、複数セット設ける場合もある。

このような位置エネルギ回収・再利用システムにおいて、圧力センサSphにより検出されたシリンダCyのピストンよりヘッド側の圧力をヘッド圧Phとし、そのピストンのヘッド側の面積をヘッダ面積Ahとし、圧力センサSprにより検出されたシリンダCyのピストンよりロッド側の圧力をロッド圧Prとし、そのピストンのロッド側の面積をロッド面積Arとし、荷重体質量をｍ、シリンダ位置Ｘの２階微分すなわち加速度をαとすると、力の平衡式は、次のようになる。

ｍ・α＝Ｗ＋（Pr・Ar−Ph・Ah）……(1)

シリンダ速度一定の平衡状態では、(1)式の両辺は０となる。

アキュムレータAccに蓄えられたアキュムレータ圧はPa、アキュムレータAccの初期圧（封入ガス圧より若干高め）はPaOとする。

シリンダCyなどを操作する操作レバー（電気ジョイスティック）Ｌ、シリンダCyのヘッド圧Phおよびロッド圧Prを検出する圧力センサSph，Spr、アキュムレータAccに蓄えられたアキュムレータ圧Paを検出する圧力センサSac、ブーム13などの荷重体の角度を検出する角度センサSanが、制御装置５の入力部に接続されている。

この制御装置５は、内部に演算処理装置および記憶装置などを内蔵し、この制御装置５の出力部は、各制御弁１，1a，２，３，４の可動制御部およびポンプPpの容量可変制御部（斜板レギュレータなど）に接続され、これらを電気信号により制御する。図１中の一点鎖線は制御信号ラインを表わすとともに、実線は油圧ラインを表わす。

また、制御装置５は、アキュムレータAccの蓄圧が優先されるかシリンダ速度が優先されるかを判断し、アキュムレータAccの蓄圧が優先される場合は、再生制御弁２を開くことにより荷重を受けたシリンダCyを縮小方向に加速する加速優先制御を行なって操作性を確保し、所定のシリンダ速度に達した後、再生制御弁２を絞ることによりヘッド圧Phを昇圧させてアキュムレータAccにヘッド側からの流量を供給して蓄圧させる昇圧優先制御を行ない（この加速優先制御から昇圧優先制御に至る制御を「蓄積優先制御」という）、また、シリンダ速度が優先される場合は、昇圧を抑制することで速度を優先させる昇圧抑制・速度優先制御を行なう機能を備えている。

ここで、昇圧抑制・速度優先制御とは、（ｉ）加速初期時にシリンダCyのヘッド側をタンクＴに連通させることで、ヘッド圧Phを低下させるか、または、（ii）ポンプPpからの吐出圧をポンプ流量制御弁３によりシリンダCyのロッド側に導き、ロッド圧Prを強制的に増加させる制御である。このような昇圧抑制・速度優先制御は、エネルギ損失につながるので避けたいが、要求速度（速度指令値）が大きくて、通常の加速優先制御から昇圧優先制御に至る蓄積優先制御では、要求速度が達成できないときに、この昇圧抑制・速度優先制御を実施する。

さらに、制御装置５は、アキュムレータ圧Paの増加に応じてアキュムレータ制御弁１の開度を上げ、全開後、ヘッド圧Phが増加したら、再生制御弁２を開く機能を備えている。

次に、図２に示されたフローチャートを参照しながら、図１に示されたシステムの制御装置５による制御方法を説明する。なお、フローチャート中の丸数字は、ステップ番号を示す。

（ステップ１）
アキュムレータAccで確保しようとする所定のアキュムレータ設定圧Psetに基づいて、アキュムレータ封入ガス圧（初期圧）をPa0にセットする。

（ステップ２）
速度優先操作にするか、蓄積優先操作にするか決定する。この決定は、ステップ１０で判断される。

（ステップ３）
蓄積優先操作の場合は、下降時の省エネのため、ポンプPpは、最少流量をタンクＴへバイパスする程度の最小のポンプ出力（圧力・流量）になるように制御される。

また、ポンプ流量制御弁３には、ポンプPpからシリンダCyのロッド側へのポンプ流量の供給を阻止し、タンクＴへバイパスするような制御指令が与えられる。

（ステップ４）
オペレータは、操作レバーＬからの操作量により速度指令値を入力する。

（ステップ５）
速度指令値の大きさより速度優先操作が必要になるかどうか判断する。すなわち、事前のシミュレーションまたは調整により、該当アキュムレータAccの設定圧Psetに対し、どの速度指令値までなら所定の下降速度とアキュムレータAccの加圧とを両立できるかを求めておく。この決定は、ステップ１０で判定される。

（ステップ６）
再生制御弁２を全開にする。これを、加速操作または加速優先制御と呼ぶ。このとき、同時に閉止制御弁４を閉じ、再生流量がポンプ流量制御弁３を経てタンクＴに廃棄されることを防止する。この操作では、以下の動きをする。

(ｉ)
片ロッド型ピストンは、ヘッダ面積Ah＞ロッド面積Arであるから、このピストンの下降によるシリンダ内ヘッド側容積の減少は、一部はヘッド圧Phの増加に使われ、一部はロッド側に再生される。

下降速度＜速度指令値の間は、ヘッド圧Phとロッド圧Prとがほぼ等しくなるように、全開時の開口面積が大きな弁として選定された再生制御弁２の開度を大きく制御することで、作業装置12などの荷重体の下降速度を大きくする。

(ii)
再生制御弁２の開により、最初は、ヘッド圧Phは低下し、なおロッド圧Prはヘッド圧Phより少し低い値となり、ヘッド側からロッド側へ再生される流量によりシリンダCyは下降動作を開始する。

(iii)
その後、下降速度の増加につれてヘッド圧Phは増加していくが、目標速度／アキュムレータ圧の値によっては、速度指令値に応じた目標速度に到達する前に、ヘッド圧Phが速度平衡状態の値に到達することもある。この場合は、速度優先操作を実施することもできる。

（ステップ７）
下降速度≧速度指令値（操作速度）であるか否かを判定する。

ただし、ブーム等の荷重体の下降速度は、シリンダCyの可動部に設けられた速度検出器により作動速度を直接検出してもよいが、角度センサSanで検出されたブーム13などの荷重体の角度変化を微分することにより簡単に求めることができる。さらに、この種の速度検出器がない場合は、代替手段として、例えば事前にシミュレーションまたは事前検証をして、速度指令値毎に速度到達時間を求めておき、その時間経過で速度を判断するようにしてもよい。あるいは差圧から速度を割り出すようにしてもよい。

このステップ７でNO（下降速度＜速度指令値）の場合は、ステップ８へ進む。YES（下降速度≧速度指令値）の場合は、ステップ１２へ進む。

（ステップ８）
ヘッド圧Phとロッド圧Prの差圧が、設定された圧力ΔPsetに達しているか否かを判定する。上記（1）式の右辺が正の値なら未達成（NO）と判定でき、さらなる昇圧しながらの加速操作が可能である。

そこで、NOの場合は、加速操作を継続する。このとき、下降動作は継続しているので、ヘッド圧Ph、ロッド圧Prは上昇を継続する。

（ステップ９）
ステップ８でYESの場合は、これ以上の昇圧しながらの加速は不可能であるから、加速操作を打ち切り、ステップ１０以下の判断および制御をする。

（ステップ１０）
ステップ２、５で速度優先操作を実施する必要があると判断したか否かを判定し、必要があれば、ステップ１１に進み、速度優先操作を実施する必要がない場合は、ステップ１３の速度平衡状態維持モードに進む。

（ステップ１１）
速度優先操作を実施する場合は、以下のような方法を実施するが、これらの速度優先操作は、エネルギロスに繋がるので、できるだけ短時間にとどめる必要がある。

第１の速度優先操作方法は、アキュムレータ制御弁１の蓄積制御弁1aをタンクＴ側に開いて、シリンダCyのヘッド圧Phをほぼ０まで低下させて、荷重体の下降加速度αを大きくする操作である。

第２の速度優先操作方法は、ポンプPpの容量可変制御部を制御してポンプ吐出量を増やし、ポンプ流量制御弁３を制御して、そのポンプ・ロッド側間およびヘッド側・タンク間を開の状態に切り替え、再生制御弁２を閉に、閉止制御弁４を開に制御することで、ポンプPpよりシリンダCyのロッド側への注入流量を増加させてロッド圧Prを強制的に高めるとともに、シリンダCyのヘッド側をポンプ流量制御弁３のヘッド側・タンク間を経てタンクＴに連通させることで、荷重Ｗの下降加速度αを大きくする操作である。

また、これらの速度優先操作の具体的方法の１つとして、ヘッド側・ロッド側間の差圧ΔP≦ΔPset（低下幅は任意に設定可）を目標に制御する方法がある。

さらに、下降開始時のシリンダ位置によっては、下降終了時にもヘッド圧Ph＜Pa0となることもありうる。この場合は、アキュムレータ制御弁１の蓄積制御弁1aを最初からタンクＴ側に開いて、不要なヘッド圧Phの上昇を避ける方法も選択肢になる。

なお、この速度優先操作は、ステップ２、５の判断後に、事前に実施してもよい。特に速度指令値の達成だけでなく厳しい応答性（短時間に速度指令値を達成すること）が必要な場合は、事前実施するとよい。

（ステップ１２）
ステップ７の判断で、YES（下降速度≧速度指令値）の場合は、ステップ６の加速操作を打ち切る。

（ステップ１３）
再生制御弁２の開度を絞ることにより、ヘッド側の圧力を昇圧させる昇圧優先制御を行なう。この昇圧優先制御では、再生制御弁２の開度を、全開から、以下の条件を満足するように絞り制御する。

指令流量＝速度指令値・ヘッダ面積Ah＝Cd・A2・√ΔPs

ここで、Cdは、定数であり、A2は、制御装置５からの開度指令で再生流量を制御する再生制御弁２の開口面積である。

ΔPsは、上記（1）式の右辺を０にするシリンダCyのヘッド側とロッド側との差圧設定値であり、
（1）式の右辺＝０と、Ph−Pr＝ΔPsとから、
ΔPs＝（Ｗ−Pr・（Ah−Ar））／Ah、またはΔPs＝（Ｗ−Ph・（Ah−Ar））／Ar…（2）
であり、ΔPsは、ヘッド圧Phまたはロッド圧Prの関数となっている。

また、上記（2）式は加圧上限値の目安を示している。すなわち、ΔPs＝０のときのヘッド圧Ph以上の圧力になると上昇力が働いて、減速してしまうので、そのヘッド圧Ph（該当シリンダが複数のときは平均ヘッド圧Ph）以上にはアキュムレータAccを加圧できない。

さらに昇圧する場合は、ポンプPpの吐出量を増やし、ポンプ流量制御弁３のポンプ・ロッド側間を開に制御するとともにヘッド側・タンク間を閉に制御し、閉止制御弁４を開に制御することで、ポンプPpよりシリンダCyのロッド側へ作動流体を注入してロッド圧Prを上昇させる処置が必要となる。あるいは、ヘッド圧Phを低圧でもよしとする別の方法が必要になる。

なお、下降動作は継続しているので、ヘッド圧Phまたはロッド圧Prは上昇を継続する。

（ステップ１４）
ヘッド圧Ph＞アキュムレータ初期圧Paoか否かを判定する。NOの場合は、先の制御を継続する。

（ステップ１５）
ステップ１４でYESなら、アキュムレータ制御弁１の蓄積制御弁1aの開口面積A1を、操作レバーＬからの速度指令値Vcに応じた流量を流せるように、この速度指令値Vcに応じて、または速度指令値Vcに加えて、アキュムレータ制御弁１の前後差圧ΔPh-aと、再生制御弁２の開口面積A2および前後差圧ΔPh-r（すなわちロッド側への再生流量Qr）とに応じて制御し、ヘッド側をアキュムレータ側に開き、アキュムレータAccへの位置エネルギの回収・蓄積を行なう。アキュムレータ制御弁１の開度を制御することで下降速度を速度指令値に維持する（速度平衡状態維持モード）。

すなわち、ヘッダ面積をAh、アキュムレータ制御弁１の開口面積をA1（制御対象）、再生制御弁２の開口面積をA2（制御済み量）、アキュムレータ制御弁１の前後差圧ΔPh-a＝Ph−Pa、再生制御弁２の前後差圧ΔPh-r＝Ph−Prとすると、流量バランス式は、
Ah・Vc＝Cd1・A1・√ΔPh-a＋Qr
Qr＝Cd2・A2・√ΔPh-r
となるので（ ただし、Cd1およびCd2は定数である ）、この流量バランス式において、アキュムレータ制御弁１の開口面積A1を制御する。

このとき、シリンダCyのピストン下降によるヘッド側容積の減少に伴うヘッド圧Phの増加すなわち昇圧効果は、アキュムレータAcc内への蓄積流量およびロッド側への再生流量による減圧効果でバランスされる。

しばらくすると、速度平衡状態に達し、下降速度は一定で、ヘッド圧Phは、ほぼ一定となり、再生制御弁２はほぼ一定開度となる。このとき、厳密には、アキュムレータAccに蓄えられたアキュムレータ圧Paの上昇に伴い、アキュムレータ制御弁１の開度を上げてヘッド圧Phを一定にし、アキュムレータ制御弁１が全開となった後は、ヘッド圧Phも少しづつ上昇し、再生制御弁２が若干開いて、ロッド圧Prをその分増加させることで、速度平衡状態を維持する。そして、下降速度によるシリンダCyのヘッド側容積の減少は、アキュムレータAccへの流量と、ロッド側への再生流量とで、でほぼバランスされる。すなわち、ほとんどをアキュムレータAccに回収できる。

なお、アキュムレータ制御弁１の蓄積制御弁1aとアキュムレータAccとの間に逆止機能がある場合は、もっと早くアキュムレータ制御弁１の蓄積制御弁1aを開くこともできる。

（ステップ１６）
操作終了か否かを判定し、NOの場合（操作指令がある場合）は、ステップ４に戻って同じ手順を継続する。

（ステップ１７）
ステップ１６でYESの場合（操作指令が０になる場合）は、終了操作を実施する。すなわち、アキュムレータ制御弁１と再生制御弁２を閉じ、閉止制御弁４を開くとともに、ポンプ流量制御弁３のロッド側・タンク間を開いて、シリンダCyのロッド側をタンクＴに開放し、ポンプPpの容量制御手段をノーマル状態に戻して、ネガティブコントロール圧などの要求信号に応じて必要なポンプ流量を供給する。

このように、アキュムレータAccにエネルギを回収する際のブーム下げ速度の制御方法は、最初は再生制御弁２を全開にしてブームシリンダのヘッド側から流出した油をロッド側に再生し（加速優先制御）、下降速度が速度指令値に到達したら再生制御弁２を絞り（昇圧優先制御）、アキュムレータ制御弁１の開度を制御することで下降速度を速度指令値に維持しながら（速度平衡状態維持モード）、アキュムレータにエネルギを回収する（蓄積優先制御）方法と、シリンダ速度が優先される場合は、昇圧を抑制することで速度を優先させる（昇圧抑制・速度優先制御）方法とを備えている。

この実施の形態は、次のような作用効果を奏する。

制御装置５は、荷重体である作業装置12の荷重を受けて片ロッド型のシリンダCyが縮小するときに、容量可変型のポンプPpおよびポンプ流量制御弁３の少なくとも一方を制御してポンプPpからシリンダCyのロッド側に供給されるポンプ流量を減少させることで、ポンプ駆動に要するエネルギを低減でき、しかも、このときに、再生制御弁２を制御してシリンダCyのヘッド側から流出した流体をロッド側へ再生させる再生流量を制御することで、シリンダCyのヘッド側に蓄積された位置エネルギを無駄に廃棄することなく、ロッド側に有効に再生させて、ロッド側の流体圧により作業装置12を所定の下降速度まで迅速に加速することができ、下降時の速度および応答性を確保できるとともに、ポンプPpから吐出されたポンプ流量を用いなくても、作業装置12が持つ位置エネルギを運動エネルギに変換して、シリンダCyのロッド側およびヘッド側の圧力を高めることができ、この状態で、アキュムレータ制御弁１を制御して開くことで、アキュムレータAccに位置エネルギを効率良く回収できる。

制御装置５は、再生制御弁２を開いて加速優先制御で制御してから、作業装置12の下降速度が目標速度に到達したら再生制御弁２を絞って昇圧優先制御に切換えるので、アキュムレータAccに蓄圧される圧力を初期ヘッド圧以上に高めることも可能であり、アキュムレータAccに位置エネルギを効率良く回収できる。

また、制御装置５は、アキュムレータ圧Paの増加に応じてアキュムレータ制御弁１の開度を上げ、全開後、ヘッド圧が増加したら、再生制御弁２を開くことで、ヘッド圧を高圧に維持したまま作業装置12の下降速度を一定に維持することができる。

シリンダCyのヘッド側からロッド側への再生時に、ポンプ流量制御弁３でタンクＴ側への通路を閉じることができないときにも、閉止制御弁４を閉じることで、再生流量のタンクＴへの排出を防止して、再生効率を向上できる。

油圧ショベル10の油圧回路に対してポンプおよびアキュムレータからの油圧複合供給（油圧ハイブリッド）を適用でき、油圧ショベル10の作業装置12が下降するときに、この作業装置12が有する位置エネルギをアキュムレータAccに効率よく回収できるとともに、下降速度が必要なときは、位置エネルギの回収よりも下降速度を優先させることができ、優れた作業性を確保できる。

要するに、位置エネルギ回収時にアキュムレータAccを利用するシステムにおいて、蓄積優先制御における加速優先制御と昇圧優先制御との切替、および蓄積優先制御と速度優先操作との選択により、(1)下降時の速度および応答性の確保、(2)ヘッド側に蓄積された位置エネルギをタンクＴに無駄に廃棄することなく回収した回収効率の高いエネルギ蓄積、(3)アキュムレータ圧の高圧化によるアキュムレータ再利用時の高い有効性、(4)シンプルなシステム構成、のバランスのとれた制御を実現できる。

本発明は、油圧ショベルだけでなく、クレーン車などの作業機械にも利用可能である。

本発明に係る流体圧シリンダ制御回路の一実施の形態を示す回路図である。 同上制御回路の制御手順を示すフローチャートである。 同上制御回路を備えた油圧ショベルの側面図である。

符号の説明

Pp ポンプ
Cy 流体圧シリンダ（単にシリンダという）
Acc アキュムレータ
１ アキュムレータ制御弁
２ 再生制御弁
３ ポンプ流量制御弁
４ 閉止制御弁
５ 制御装置
10 油圧ショベル
12 荷重体としての作業装置
14 油圧シリンダとしてのブームシリンダ

Claims (5)

1. 容量可変型のポンプから荷重体上下動用の片ロッド型の流体圧シリンダに供給されるポンプ流量を制御するポンプ流量制御弁と、
   流体圧シリンダのロッドのないヘッド側に連通可能な蓄圧用のアキュムレータと、
   流体圧シリンダのヘッド側とアキュムレータとの間の通路中に設けられて少なくとも流体圧シリンダのヘッド側からアキュムレータへの流体の流れを制御するアキュムレータ制御弁と、
   流体圧シリンダのヘッド側からロッド側への液の再生流量を制御する再生制御弁と、
   荷重体の荷重を受けて片ロッド型の流体圧シリンダが縮小するときに容量可変型のポンプおよびポンプ流量制御弁の少なくとも一方を制御してポンプから流体圧シリンダのロッド側に供給されるポンプ流量を減少させ、再生制御弁を開くことにより荷重を受けた流体圧シリンダを縮小方向に加速し、所定のシリンダ速度にてアキュムレータ制御弁を開くことによりアキュムレータにヘッド側からの流量を供給して蓄圧させる機能を備えた制御装置と
   を具備したことを特徴とする流体圧シリンダ制御回路。
2. 制御装置は、
   最初は再生制御弁を開いて流体圧シリンダのヘッド側から流出した流体をロッド側に再生する加速優先制御で制御し、シリンダ速度が目標速度に到達したら再生制御弁を絞ってアキュムレータに蓄圧される流体流量を増加させる昇圧優先制御に切換える機能を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の流体圧シリンダ制御回路。
3. 制御装置は、
   アキュムレータ圧の増加に応じてアキュムレータ制御弁の開度を上げ、全開後、流体圧シリンダのヘッド側の圧力が増加したら、再生制御弁を開く機能を備えた
   ことを特徴とする請求項１または２記載の流体圧シリンダ制御回路。
4. ポンプ流量制御弁の出口側に設けられた閉止制御弁
   を具備したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の流体圧シリンダ制御回路。
5. 荷重体は、油圧ショベルの作業装置であり、
   片ロッド型の流体圧シリンダは、作業装置を上下方向に回動する油圧シリンダである
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の流体圧シリンダ制御回路。

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