JP2010169268A - 作業機械のブームエネルギの回生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的単純な構成で、操作性の急変を招くことなく、回生量の増大と操作性の向上を高度なレベルで両立させる。
【解決手段】ブームシリンダ２４の伸長・収縮によってブームを駆動可能な作業機械のブームエネルギの回生装置において、前記ブームを下げるときにおけるブームシリンダ２４からの戻り油ラインをスプール３９０の中で２本の油路５２、５４に分流する分岐部Ｄと、分流された一方（５２）を、その流量を連続的に可変とした上で発電機３６を伴う回生用油圧モータ３４を介してタンク６０に導く回生回路と、分流された他方（５４）を、流量調整弁５８を介してその流量を連続的に可変とした上でタンク６０に導く調整回路と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、建設機械等の作業機械のエネルギの回生装置、特にブームエネルギの回生装置に関する。

特許文献１において、ブーム、アーム、及びバケット等のアタッチメントを有する作業部を備えた建設機械が開示されている。

作業部は、油圧シリンダ（ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ等）の伸縮によって駆動されるように構成され、油圧シリンダのメータアウト側に回生回路が形成されている。回生回路には、戻り油によって駆動されるポンプモータが備えられている。

この回生回路は、切り換え手段によって開閉されるようになっており、掘削作業等を行う際には、該回生回路が開かれ、戻り油のエネルギが回収される。一方、微操作作業等を行う際には該回生回路は閉じられ、操作性が重視される。

特開２００３−３２９０１２号公報

上記建設機械においては、切り換え手段の切り換えは、モニタパネルにて選択された作業モードに依存して行われ、この切り換えによって回生運転、又は操作性重視の運転が切り換えられるようになっていた。

そのため、作業が繁雑であり、運転者によっては、切り換えを必ずしも適正に行わないことがあり、意図された回生ができないことがあるという問題があった。

これについては、作業状態を何らかの方法で検知あるいは判断し、この切り換えを自動的に行わせることも考えられるが、この場合には、運転者の意図せぬタイミングで切換が行われ、却って操作性が悪化することがあるという問題がある。

この本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであって、操作性の急変を招くことなく、エネルギ回生量の増大と操作性の向上を高度なレベルで両立させることができる作業機械のエネルギ回生装置、特にブームエネルギの回生装置を提供することをその課題としている。

本発明は、ブームを有する作業部を備え、ブームシリンダの伸長・収縮によって前記ブームを駆動可能な作業機械のブームエネルギの回生装置において、前記ブームを下げるときにおける前記ブームシリンダからの戻り油ラインを特定のスプールの中で２本の油路に分流する分岐部と、分流された一方を、その流量を連続的に可変とした上で発電機を伴う回生手段を介してタンクに導く回生回路と、分流された他方を、その流量を連続的に可変とした上でタンクに導く流量調整回路と、を備えたことにより、上記課題を解決したものである。

本発明によれば、ブームシリンダからのオイルの流れを特定のスプールの中で２本の油路に分流し、その内の一方が回生手段に流量を連続的に可変とした上で常に連結されている。

その上で、タンクに戻る戻り油の流量も連続的に可変に制御することにより、ブーム降下速度を制御でき、操作性を向上させることができる。また、回生回路側に流出する戻り油の流量を多く設定することにより、エネルギの回生量を増大させることができる。

本発明には、種々のバリーションが考えられる。

例えば、流量調整回路による流量調整は、ブームシリンダを駆動している油圧に依存して行うようにするとよい。一般に、掘削作業等の重作業（多量の回生エネルギを回収し得る作業）を行うときには、ブームシリンダを駆動している油圧が高い傾向にある。また、整地作業等の軽作業（微小操作の要求される作業）を行うときには、ブームシリンダを駆動している油圧が低い傾向にある。従って、流量調整をブームシリンダを駆動している油圧に依存して行うことにより、意図する定性的な傾向と合致した制御を行うことができる。

本発明における回生手段の具体的構成は、特に限定されないが、例えば、ブームの力行時に駆動源として機能し得る両方向ポンプモータを備える構成とすることができる。この場合には、当該回生回路に配置した両方向ポンプモータを力行時にも活用することができ、その分を、例えば操作トルクの増大、あるいは搭載スペースの縮小などに寄与させることができる。また、前記分岐部を含む特定のスプールとして、ブームシリンダと油圧ポンプ及び回生手段との間のオイルの流れを切換・制御する方向切換弁のスプールを採用するとよい。方向切換弁のスプール自体は、もともと存在するスプールなので、（僅かな改良のみで済み）別途のスプールを特に必要としない。更に、この特定のスプールは３位置５ポートの切換弁とし、ブームシリンダ伸長時においては、油圧ポンプ及び両方向ポンプモータの双方から圧油が前記ブームシリンダのボトム側に供給されるようにすると、回収したエネルギを有効に活用できる。

なお、本発明は、ブームを有する作業部を備えた作業機械の駆動装置において、当該ブームにおけるエネルギの回生や操作性の向上に適用すると最も顕著な効果を得ることができるが、本発明の適用対象は必ずしもブームのみに限定されるものではなく、油圧シリンダの伸長・収縮によって駆動される作業部を有する作業機械において同様の効果を得ることができる。

比較的単純な構成で、操作性の急変を招くことなく、回生量の増大と操作性の向上を高度なレベルで両立させることができる。

本発明の基礎となるブームエネルギの回生装置の一例の要部構成を示すスケルトン図 本発明の他の基礎となる一例の要部構成を示すスケルトン図 本発明の更に他の基礎となる一例の要部構成を示すスケルトン図 本発明の実施形態の要部構成を示すスケルトン図 本発明が適用される油圧ショベル（作業機械）の全体構成を示す正面図

以下図面に基づいて、本発明に係る作業機械のブームエネルギの回生装置の好適な実施形態の一例を、その基礎的な例と共に詳細に説明する。

図５に本発明が適用される油圧ショベル（作業機械）１０の全体構成を示す。

油圧ショベル１０は、下部走行体１２、上部旋回体１４、及び作業部１６を備える。

作業部１６は、ブーム１８、アーム２０、バケット２２を備え、上部旋回体１４の運転室２３の横から片持ち状態でせり出している。作業部１６のブーム１８、アーム２０、バケット２２には、これら１８、２０、２２を駆動する油圧シリンダとして、それぞれブームシリンダ２４、アームシリンダ２６、バケットシリンダ２８が組み込まれている。本実施形態では、このうち特に、ブーム１８に組み込まれたブームシリンダ２４を収縮するときの戻り油ライン（メータアウト側のライン）に対して本発明が適用される。

図１は、本発明の基礎となる油圧ショベル１０のブームエネルギの回生装置Ｒ１の要部構成の一例を示すスケルトン図である。

回生装置Ｒ１は、該ブームシリンダ２４に圧油を供給するための第１、第２油圧ポンプ３０、３２と、ブームシリンダ２４からの戻り油を利用して回生エネルギを取り出すための回生用油圧モータ３４及び発電機３６を備える。また、ブームシリンダ２４と第１、第２油圧ポンプ３０、３２及び回生用油圧モータ３４との間のオイルの流れを切換・制御するために、第１、第２スプール３８、４０を備える。

第１、第２スプール３８、４０は、同一の構造を持ち、それぞれ伸長位置Ａ、中立位置Ｂ、収縮位置Ｃの各位置で、ポートＰ１〜Ｐ４、Ｐ１１〜Ｐ１４を所定の接続態様に切り換える３位置４ポートのパイロット式切換弁である。

第１、第２スプール３８、４０のパイロットポートＰｐ１、Ｐｐ３と、Ｐｐ２、Ｐｐ４とには、操作レバー４２の操作に対応してそれぞれ同一圧力の油圧が同時に印加可能とされ、第１、第２スプール３８、４０は同位相で連動して動くようになっている。

伸長位置Ａは、ブームシリンダ２４を伸長させるとき（ブームが上げられるとき）の切換位置に相当している。伸長位置Ａでは、第１、第２スプール３８、４０は、第１、第２油圧ポンプ３０、３２をポートＰ１、Ｐ４及びポートＰ１１、Ｐ１４を介して油路５２、５４と接続し、合流した油路５０を力行ラインとしてブームシリンダ２４のボトム側２４Ａと接続する。一方、ブームシリンダ２４のトップ側２４Ｂを第１スプール３８のポートＰ３、Ｐ２を介して回生用油圧モータ３４と接続する。回生用油圧モータ３４には、発電機３６が連結されており、回生用油圧モータ３４から回転動力を得て所定の回生発電を行い、図示せぬバッテリに回生電力を蓄積可能である。

中立位置Ｂは、ブームシリンダ２４を保持状態に維持するときの切換位置に相当している。中立位置Ｂでは、入力側のポートＰ１、Ｐ２、Ｐ１１、Ｐ１２及び出力側のポートＰ３、Ｐ４、Ｐ１３、Ｐ１４を、それぞれブロックされた状態に維持する。

収縮位置Ｃは、ブームシリンダ２４を収縮させるとき（ブームが下げられるとき）の切換位置に相当している。収縮位置Ｃでは、油路５０は、ブームシリンダ２４のボトム側２４Ａからの戻り油ライン（メータアウト側のライン）として機能する。図１から明らかなように、油路５０は、分岐部Ｄにおいて２本の油路５２、５４に分流されている。そのうちの一方の油路５２は、第１スプール３８のポートＰ４、Ｐ２を介して回生用油圧モータ３４と接続され、さらにタンク６０と接続される。これに対し、他方の油路５４の方は、第２スプール４０の収縮位置Ｃに相当するスプール内に形成された流量制御弁５８と接続され、さらにタンク６０へと接続される。

第１、第２スプール３８、４０の切り換えは、完全ブロック状態の中立位置Ｂを中心として、伸長位置Ａ側及び収縮位置Ｃ側に向けてアナログ的に（中間位置を含んで徐々に）切り換え可能である。

次に、この回生装置Ｒ１の作用を説明する。

ブームシリンダ２４が伸長されるとき（ブームが上げられるとき）は、操作レバー４２の動きに依存してパイロット油圧が第１、第２スプール３８、４０のパイロットポートＰｐ１及びＰｐ３に印加され、該第１、第２スプール３８、４０は、伸長位置Ａ側に位置決めされる。このため、第１、第２油圧ポンプ３０、３２から吐出された圧油はそれぞれ油路５２、５４を介して油路５０に流入した後、ブームシリンダ２４のボトム側２４Ａに供給され、ブームシリンダ２４が伸長する。

一方、伸長位置Ａにおいては、ブームシリンダ２４のトップ側２４Ｂが第１スプール３８のポートＰ３、Ｐ２を介して回生用油圧モータ３４に接続されるため、トップ側２４Ｂに存在していた戻り油は回生用油圧モータ３４に流入し、回生用油圧モータ３４を回転させる。この回転により、発電機３６を回転させることができ、所定のエネルギを回収できる。ただし、ブームシリンダ２４が伸長するときは、回収し得るエネルギは、元々それほど多くはなく、回生用油圧モータ３４は、「回生」よりは「ブームシリンダ２４の伸長制御を適正に行うための所定の背圧発生」という観点で駆動される。なお、第２スプール４０のポートＰ１３は、伸長位置Ａにおいてはブロックされた状態にあるため、トップ側２４Ｂの戻り油は、その全量が回生用油圧モータ３４を介してタンク６０に戻る。

操作レバー４２が操作されない中立状態にあるときは、各パイロット油圧はすべてタンク圧となり、第１、第２スプール３８、４０のパイロットポートＰｐ１〜Ｐｐ４のいずれにもパイロット油圧は導出されない。したがって、該第１、第２スプール３８、４０は、ばね３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂの付勢力により中立位置Ｂに位置決めされる。このため、第１、第２スプール３８、４０のすべてのポートＰ１〜Ｐ４、Ｐ１１〜Ｐ１４はブロック状態となり、オイルの移動が阻止される。

ブームシリンダ２４が収縮されるとき（ブームが下げられるとき）は、操作レバー４２の動きに依存してパイロット油圧が第１、第２スプール３８、４０のパイロットポートＰｐ２及びＰｐ４に印加され、該第１、第２スプール３８、４０は、収縮位置Ｃに位置決めされる。このため、第１油圧ポンプ３０から吐出された圧油が第１スプール３８のポートＰ１、Ｐ３を介してブームシリンダ２４のトップ側２４Ｂに流入し、ブームシリンダ２４が収縮する。

このとき、ブームシリンダ２４のボトム側２４Ａに存在していた圧油は、油路５０を介して分岐部Ｄに至り、ここから油路５２及び５４に分流される。油路５２側に分流された圧油は、第１スプール３８のポートＰ４、Ｐ２を介して回生用油圧モータ３４に流入し、該回生用油圧モータ３４を回転させる。この結果、発電機３６による回生発電が行われ、回生電力が図示せぬバッテリに蓄積される。

一方、油路５４側に分流された圧油は、第２スプール４０のポートＰ１４から流量調整弁５８を通り、ポートＰ１２からタンク６０にドレンされる。

結局、ブーム１８を下げるときにおけるブームシリンダ２４からの戻り油は、分岐部Ｄにおいて２本の油路５２、５４に分流され、分流された一方が、回生用油圧モータ３４を介してタンク６０に導かれると共に、分流された他方は、流量調整弁５８を介してタンク６０に導かれることになる。

この回生装置Ｒ１によれば、簡単な構成でブーム１８のエネルギを回生することができる。第１、第２油圧ポンプ３０、３２、回生用油圧モータ３４、あるいは発電機３６の大きさは、分流割合によって任意に変えることができるため、搭載スペースに応じたサイズの選定をすることができるようになり、設計の自由度が高い。

この回生装置Ｒ１におけるブームシリンダ２４の降下速度は、操作レバー４２の操作量に応じて変化させる。この場合、操作量が多いほど、降下速度が大きくなる。一方、回生用油圧モータ３４に流入する戻り油は、発電機３６の速度制御により、また、油路５４への戻り油は流量制御弁５８によりそれぞれ制御し、操作レバー４２の操作量が多いほど、合計流量が多くなるように制御する。

図２に示す回生装置Ｒ１０１は、流量制御弁１５８における流量制御を駆動圧Ｐｒにより補正し、操作性をより向上させるようにしたものである。

即ち、この回生装置Ｒ１０１では、流量制御弁１５８における流量制御を、操作レバー１４２の動きに依存したパイロット操作から切り離すと共に、油圧センサＰｓをブームシリンダ１２４のトップ側１２４Ｂに配置して駆動圧Ｐｒを検出し、ブームの操作状態をこの駆動圧Ｐｒをパラメータとして行うようにしている。パイロットポートＰｐ１０４には、パイロット制御弁１７０によって駆動圧Ｐｒに依存して発生されたパイロット油圧が供給される。

例えばバケットに土砂を積み込んでいるときには、ブーム１２４の負荷が高く、一般に保持圧Ｐｈが高い状態にある。この状態では、流量制御弁１５８を通過する流量が多くなる。そして、第１油圧ポンプ１３０の吐出量が不足すると駆動圧Ｐｒが減少する。そのため、パイロット制御弁１７０によってパイロット圧を低下させ、これを第２スプール１４０のパイロットポートＰｐ１０４に供給する。これにより、第２スプール１４０は、中立位置Ｂ側に移動し、流量制御弁１５８が絞られることにより、油路１５４側に分流してきた戻り油は少なくなる。その結果、駆動圧Ｐｒが上昇し、第１油圧ポンプ１３０による補油が適切になされ、逸走が防止される。

一方、整地作業などの軽作業を行っているときには、ブーム１２４の負荷が低く、一般に保持圧Ｐｈは低い状態にある。この状態では、流量制御弁１５８を通過する流量が少なくなる。そして、ブームシリンダ１２４の降下速度が遅くなると、第１油圧ポンプ１３０の吐出量の供給が過剰になり、駆動圧Ｐｒが大きくなる。そのため、パイロット制御弁１７０によってパイロット圧を上昇させ、第２スプール１４０の位置をより収縮位置Ｃ側にシフトさせることにより、油路１５４側に分流してきた戻り油を多くすることができる。この結果、ブームシリンダ１２４の圧力バランスが良好に保持される。

なお、この例では、第１スプール１３８のパイロットポートＰｐ１０１、Ｐｐ１０２、及び第２スプール１４０のパイロットポートＰ１０３には、操作レバー１４２の動きに依存したパイロット圧が供給されるようになっているが、パイロット制御弁１７０によって生成されたパイロット圧を、第１スプール１３８のパイロットポートＰｐ１０２にも並列に供給するようにしてもよいし、図示せぬパイロット制御弁で個別供給してもよい。また、第１スプール１３８に流量制御弁１５８を設け、第２スプール１４０へ回生用油圧モータ１３４を設けるようにしてもよい。

その他の構成は、基本的に図１を用いて既に説明した先の基礎となる一例と同様であるため、図２中で同一または類似する部分に下２桁が同一の符号を付すにとどめ、重複説明を省略する。なお、以降の例においても同様である。

図３に、更なる変形例を示す。この変形例における回生装置Ｒ２０１では、図１、図２の例において第２油圧ポンプ３２、１３２が配置されていた位置に、第２油圧ポンプとしての機能を有し、かつ回生手段としての機能をも有する両方向ポンプモータ２８０を配置するようにしている。これに伴って、先の例における回生装置Ｒ１０１と比較して、収縮位置Ｃにおける第１スプール２３８のポートＰ２０４とＰ２０２との間がストレートではなく、ここに流量制御弁２５８Ａが配置されており、且つ、収縮位置Ｃにおける第２スプール２４０のポートＰ２１４からＰ２１１へ向かう油路２８２が新たに形成されている。なお、両方向ポンプモータ２８０には、モータとしても、発電機としても機能し得るモータジェネレータ２８８が接続されている。

この回生装置Ｒ２０１では、ブームシリンダ２２４の伸長工程（ブーム上げの工程）では、第１油圧ポンプ２３０及び両方向ポンプモータ２８０によって力行し、収縮工程（ブーム下げの工程）では、両方向ポンプモータ２８０の駆動によって回転するモータジェネレータ２８８により回生する。このため、設置スペース的なコンパクト化が可能となる。もし、第２油圧ポンプを残したままの先の例における回生用油圧モータ（３４、１３４）の代わりに両方向ポンプモータ２８０を設置した場合には、当該第２油圧ポンプを他の用途に使うことができる。この場合には、油圧ショベルとしての他の特性（例えば応答性、あるいは複合操作での各アクチュエータ同士の独立性など）をより高めることができるようになる。この例における回生装置Ｒ２０１では、両方向ポンプモータ２８０は、自身が回生したエネルギを自身の駆動のために使用することになる。

図４に、本発明の実施形態の一例に相当する、１本のスプールのみが備えられた例を示す。

この図４の本発明の実施形態に係る回生装置Ｒ３０１では、３位置５ポートのパイロット式切換弁の機能を果たすスプール３９０が１個のみ使用され、収縮位置Ｃにおける該スプール３９０のポートＰ３０５からポートＰ３０３に向かう油路の途中に、分岐部Ｄが存在している。この分岐部Ｄからブームを下げるときにおけるブームシリンダ３２４からの戻り油の流れが２本の油路３９２、３９４に分流される。分流された一方の油路３９２は、油路３９３を介して回生手段としての両方向ポンプモータ３８０に導かれ、さらにタンク３６０に導かれている。また、分留された他方の油路３９４は、流量調整弁３５８を介してタンク３６０に導かれている。

先の基礎的な例と同様に、この実施形態においても、ブームの伸長時においては、油圧ポンプ３３０及び両方向ポンプモータ３８０の双方から圧油がブームシリンダ３２４のボトム側３２４Ａに供給される。また、ブームシリンダ３２４の収縮時において、両方向ポンプモータ３８０にはボトム側３２４Ａの戻り油が直接的に供給されており、且つ、戻り油の一部が流量調整弁３５８を経てタンク３６０に導かれている。このため、この実施形態においても既に説明した基礎的な例と同様の作用を得ることができる。

本発明においては、このほかにも種々のバリエーションが存在する。要は、メータアウト側のラインが特定のスプールの中で２つの油路に分流されており、双方が連続的な流量調整がなされた後に回生手段またはタンクに至る構成とされていればよい。

ブームを有する作業部を備え、油圧シリンダの伸長・収縮によって前記ブームを駆動可能な作業機械の回生装置に適用可能である。ブームを駆動するブームシリンダの場合、その性質上、回生エネルギが大きく、回生用油圧モータ、あるいは両方向ポンプモータは、相応の容量を必要とする。その一方で、軽作業など、操作性を要求される場合も頻繁に発生するため、エネルギ回生と操作性の両立が不可欠である。

本発明は、構造が簡単で、トラブルが発生しにくく、且つ、良好な操作性と回生手段によるエネルギ回生効果を分流によって実現したが、特にエネルギ回生の大きいブームシリンダに適用した場合に、最も顕著な効果が得られる。

しかしながら、本発明は、その適用対象を敢えてブームシリンダのみに限定する必要はなく、回生が可能な種々の油圧シリンダの回生装置に適用可能であり、相応の効果が得られる。

１０…油圧ショベル
１２…下部走行体
１４…上部旋回体
１６…作業部
１８…ブーム
２０…アーム
２２…バケット
２４…ブームシリンダ
２４Ａ…ボトム側
２４Ｂ…トップ側
２６…アームシリンダ
２８…バケットシリンダ
３０、３２…第１、第２油圧ポンプ
３４…回生用油圧モータ
３６…発電機
３８、４０…第１、第２スプール
Ｐ１〜Ｐ４、Ｐ１１〜Ｐ１４…ポート
６０…タンク

Claims (6)

1. ブームを有する作業部を備え、ブームシリンダの伸長・収縮によって前記ブームを駆動可能な作業機械のブームエネルギの回生装置において、
   前記ブームを下げるときにおける前記ブームシリンダからの戻り油ラインを２本の油路に分流する分岐部と、
   分流された一方を、回生手段を介してタンクに導く回生回路と、
   分流された他方を、流量調整手段を介してタンクに導く流量調整回路と、
   を備えたことを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置。
2. 請求項１において、
   前記流量調整手段による流量調整が、前記ブームシリンダを駆動している油圧に依存して行われる
   ことを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置。
3. 請求項１または２において、
   前記分流された一方と他方が、それぞれ別個のスプールに導かれている
   ことを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置。
4. 請求項３において、
   前記別個のスプールには、それぞれ独立したブーム力行用の駆動源が接続されている
   ことを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置。
5. 請求項１〜４において、
   前記回生手段が、前記ブームの力行時には駆動源として機能し得る両方向ポンプモータを備える
   ことを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置。
6. 油圧シリンダの伸長・収縮によって作業部を駆動可能な作業機械のエネルギの回生装置において、
   前記油圧シリンダのメータアウト側のラインを２本の油路に分流する分岐部と、
   分流された一方を、回生手段を介してタンクに導く回生回路と、
   分流された他方を、流量調整手段を介してタンクに導く調整回路と、
   を備えたことを特徴とする作業機械のエネルギの回生装置。

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