JP2012215193A

JP2012215193A - 建設機械のポンプ制御装置

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Publication number: JP2012215193A
Application number: JP2011079398A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Koga; 信洋古賀
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: EP2505726A2; US20120247094A1; US8904777B2; EP2505726A3; JP5736909B2

Abstract

【課題】作業時の作業能率と走行性能を両立させ、かつ、作業時の燃費を改善する。
【解決手段】油圧ショベルにおいて、ポンプ圧に応じてポンプ流量を制御する馬力特性として、低圧側は共通で中圧及び高圧側での馬力が異なる第１及び第２のＰＱ特性Ｉ，ＩＩを設定し、走行操作時は中、高圧側の馬力が相対的に高い第１のＰＱ特性Ｉ、作業操作時は中、高圧側の馬力が第１のＰＱ特性Ｉよりも低くてポンプ圧が上がるほど馬力が低下する第２のＰＱ特性ＩＩをそれぞれ選択するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は油圧ショベル等の建設機械において走行操作と作業操作とに応じて油圧ポンプの馬力特性を変えるようにしたポンプ制御装置に関するものである。

油圧ショベルを例にとって背景技術を説明する。

油圧ショベルは、クローラ式の下部走行体上に上部旋回体が地面に対して鉛直となる軸のまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体に、ブーム、アーム、バケット、それにブーム起伏用、アーム作動用、バケット作動用の各油圧シリンダから成る作業(掘削)アタッチメントが装着されて構成される。

また、他のアクチュエータとして、下部走行体を走行駆動する左右の走行モータ、及び上部旋回体を旋回駆動する旋回モータが設けられている。

この油圧ショベルにおいては、油圧ポンプの負荷圧に応じてポンプ吐出量(以下、油圧ポンプを単にポンプ、負荷圧をポンプ圧、ポンプ吐出量をポンプ流量という)を制御する馬力制御が行われる。

ここで、馬力制御のための特性として、一般的には図７に示すように馬力を一定に保つ馬力一定制御のためのＰＱ線図が設定され、このＰＱ線図に基づいてポンプ圧に応じたポンプ流量が決められる。

一方、ショベルにおいては、高圧域で運転される走行時に、作業時(走行モータ以外のアクチュエータよる掘削作業時)よりも大きな馬力が必要となるという事情がある。

半面、作業時は殆ど低、中圧域(たとえば１０ＭＰａ〜２０ＭＰａ)で運転され、高圧域はあまり使用されないという事情もある。

従って、走行時を基準として馬力一定制御のＰＱ線図を馬力特性として設定すると、作業時にエネルギーロスとなり、燃費が悪くなる。

かといって、作業時を基準として馬力を決めると、走行時、とくに登坂時や傾斜地走行時に馬力不足となる。

このような問題に対し、図８に示すようにほぼ全ポンプ圧を通じて馬力が異なる二種類の特性、すなわち、相対的に全体として馬力が大きい特性Ａと、相対的に全体として馬力が小さい特性Ｂを予め設定し、走行時には特性Ａ、作業時には特性Ｂを選択する技術が提案されている。

実開昭６２−１３４９０２号

この公知技術によると、作業時には全体として馬力を下げるため、作業時のエネルギーロスが抑えられて燃費の点で有利となる反面、低、中圧の実用域での流量が少ないことから作業のサイクルタイムが遅くなって作業能率が低下するという弊害が生じる。

そこで本発明は、作業時の作業能率と走行性能を両立させ、かつ、作業時の燃費を改善することができる建設機械のポンプ制御装置を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、走行モータ及び走行モータ以外の作業用アクチュエータの油圧源である可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプが吐出する流量であるポンプ流量を制御するポンプレギュレータと、油圧ポンプの吐出圧力であるポンプ圧を検出するポンプ圧検出手段と、ポンプ圧に応じたポンプ流量を上記ポンプレギュレータに指令する制御手段とを備えた油圧ポンプの制御装置において、上記走行モータを駆動する走行操作を検出する走行操作検出手段と、上記作業用アクチュエータを駆動する作業操作を検出する作業操作検出手段とを設け、上記制御手段は、ポンプ圧に応じてポンプ流量を制御する馬力特性として、低圧側は共通で、中圧及び高圧側での馬力が異なる第１及び第２のＰＱ特性を設定し、走行操作時は中、高圧側の馬力が相対的に高い第１のＰＱ特性、作業操作時は中、高圧側の馬力が上記第１のＰＱ特性よりも低くてポンプ圧が上がるほど馬力が低下する第２のＰＱ特性をそれぞれ選択するように構成したものである。

この構成によれば、作業時には、ポンプ圧が上がるほど馬力(ポンプ流量)が低下する第２のＰＱ特性が選択されるため、エネルギーロスを抑えて燃費を改善することができる。

しかも、掘削作業においては、高圧側では元々アクチュエータ速度が遅く、そこで出力を落としてもほとんど作業時間に影響を与えないため、実際上、作業能率が低下するおそれがない。

また、高圧側で馬力を落とすことで熱発生が減少するため、作業時のヒートバランスを改善することができる。

一方、走行時には中、高圧で高馬力(大流量)となるため、登坂時や傾斜地走行時を含めた走行時に必要な馬力を確保し、良好な走行性能を得ることができる。

本発明において、上記制御手段は、エンジンの最大出力との関係から決められた馬力一定制御のためのＰＱ特性を上記第１のＰＱ特性として設定するのが望ましい(請求項２)。

この構成によれば、馬力一定制御による一般的な建設機械の走行性能を確保することができる。

また本発明においては、上記制御手段は、走行操作と作業操作が同時に行われる複合操作時に、上記第１のＰＱ特性を選択するように構成するのが望ましい(請求項３)。

このように走行優先の特性選択を行うことにより、複合操作時にも走行性能を確保することができる。

一方、本発明において、上記制御手段は、上記第１のＰＱ特性と第２のＰＱ特性の間の特性の切換え時に、馬力を緩やかに変化させる移行処理を行うように構成するのが望ましい(請求項４〜６)。

この構成によれば、たとえば作業アタッチメントの操作中に走行操作した場合に、ポンプ流量が急増してアタッチメントの動きが急に早くなる等の、特性の切換えによる不都合の発生を防止することができる。

この場合、上記制御手段は、上記第１のＰＱ特性として馬力が異なる複数のＰＱ特性を設定し、上記移行処理として、走行操作量に応じて、大操作量で馬力が高くなる方向にＰＱ特性を変化させるように構成するのが望ましい(請求項５)。

こうすれば、走行操作量に応じて馬力が変化するため、いいかえればオペレータの意思通りに馬力が変化するため、操作上の違和感がなく、操作性が良いものとなる。

あるいは、上記制御手段は、上記移行処理として、走行操作またはその停止時点から遅延時間を持って馬力を緩やかに変化させるように構成してもよい(請求項６)。

本発明によると、作業時の作業能率と走行性能を両立させ、かつ、作業時の燃費を改善することができる。

本発明の実施形態に係るポンプ制御装置の油圧回路及び制御系の構成を示す図である。第１実施形態による馬力特性図である。第１実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。本発明の第２実施形態による馬力特性図である。第２実施形態における走行用リモコン弁の操作量とパイロット圧の関係を示す図である。本発明の第３実施形態における時間と走行操作及びポンプ傾転角の関係を示す図である。従来のポンプ制御装置による馬力特性図である。特許文献１に示されたポンプ制御装置による馬力特性図である。

第１実施形態(図１〜図３参照)
このポンプ制御装置の油圧回路及び制御系の構成を図１に示す。

可変容量型の第１及び第２両油圧ポンプ(以下、単にポンプという)１，２を備え、第１ポンプ１によってブームシリンダ３、バケットシリンダ４、右走行モータ(油圧モータ)５が、第２ポンプ２によってアームシリンダ６、旋回モータ(油圧モータ)７、左走行モータ８がそれぞれ駆動される。Ｔはタンクである。

ここで、各アクチュエータのうち、左右の走行モータ５，８以外のアクチュエータ３，４，６，７が作業用アクチュエータであって、これを駆動する操作が「作業操作」、走行モータ５，８を駆動する操作が「走行操作」である。

各油圧アクチュエータ３〜８は、油圧パイロット式のコントロールバルブ９〜１４によって制御され、各コントロールバルブ９〜１４は操作手段としてのリモコン弁１５〜２０によって操作される。

両ポンプ１，２は、制御手段としてのコントローラ２１からの指令によって作動するポンプレギュレータ２２，２３を備え、このポンプレギュレータ２２，２３により傾転角、つまりポンプ流量が制御される。

一方、検出手段として、両ポンプ１，２の吐出圧(ポンプ圧)を検出するポンプ圧センサ(ポンプ圧検出手段)２４，２５と、各リモコン弁１５〜２０のパイロット圧を通じて作業操作及び走行操作を検出する作業操作検出手段及び走行操作検出手段としてのパイロット圧センサ２６〜３１が設けられ、これらからの信号(ポンプ圧信号と操作信号)がコントローラ２１に入力される。

コントローラ２１は、入力されたポンプ圧信号及び操作信号と、予め設定・記憶された馬力特性(トルクカーブ)に基づいて必要なポンプ流量を求め、これをポンプレギュレータ２２，２３に指令する。

詳述すると、コントローラ２１には、ポンプ１，２の馬力特性として、図２に示す第１及び第２のＰＱ特性(ＰＱ線図)Ｉ，ＩＩが設定・記憶されている。

第１のＰＱ特性Ｉは、低圧域ではポンプ圧の変化に関係なく最大ポンプ流量となり、中圧域及び高圧域では走行時に必要な馬力を基準とした馬力一定制御のためのＰＱカーブとなる。

これに対し第２のＰＱ特性ＩＩは、低圧域から中圧域のはじめにかけての圧力域(低圧側)は第１のＰＱ特性Ｉと共通で、中圧域の残り区間と高圧域(中、高圧側)での馬力が第１のＰＱ特性Ｉよりも低くてポンプ圧Ｐが上がるほど馬力(流量)が低下するＰＱカーブとなる。

コントローラ２１は、入力される操作信号から操作パターンを判別し、走行モータ５，８を駆動するために走行用リモコン弁１７，２０が操作される走行操作時には第１の特性Ｉを、作業用アクチュエータ３，４，６，７を駆動するために作業用リモコン弁１５，１６，１８，１９が操作される作業操作時には第２の特性ＩＩをそれぞれ選択し、これを実行する。

この作用を図３のフローチャートによって説明する。

制御開始とともにステップＳ１で作業操作フラグ＝０、走行操作フラグ０が立てられた後、ステップＳ２で作業操作されたか否か、ステップＳ３で走行操作されたか否かがそれぞれ判断される。

この両ステップＳ２，Ｓ３でＮＯの場合は、ステップＳ４で作業操作フラグ＝０でかつ走行操作フラグ０が成立し、作業操作及び走行操作がともに行われていないとしてステップＳ５で無操作処理(たとえば流量最小を指令する)が行われる。

一方、ステップＳ２でＹＥＳの場合(作業操作された場合)は、ステップＳ６で作業操作フラグ＝１が立てられてステップＳ３に移行する。

また、ステップＳ３でＹＥＳの場合(走行操作された場合)は、ステップＳ７で走行操作フラグ＝１が立てられてステップＳ４に移行する。

ステップＳ４でＮＯ、つまり作業操作フラグ及び走行操作フラグともに０でない(少なくとも一方が操作された)となると、ステップＳ８で走行操作フラグ＝１か否かが判断され、ＹＥＳの場合に、走行操作されたとしてステップＳ９において第１のＰＱ特性Ｉが選択され、実行される。

これに対し、ステップＳ８でＮＯ(走行操作されていない)の場合は、作業操作されたとしてステップＳ１０において第２のＰＱ特性ＩＩが選択され、実行される。

なお、作業操作と走行操作が同時に行われる作業／走行の複合操作時は、ステップＳ８でＹＥＳとなることにより第１のＰＱ特性Ｉが選択される。すなわち、走行優先となるように構成されている。

こうして、走行操作時には第１のＰＱ特性Ｉに基づいて、作業操作時には第２のＰＱ特性ＩＩに基づいて、それぞれポンプ圧に応じたポンプ流量が決定される。

このように、作業操作時には、ポンプ圧Ｐが上がるほど馬力(ポンプ流量)が低下する第２のＰＱ特性ＩＩが選択されるため、作業時のエネルギーロスを抑えて燃費を改善することができる。

一方、走行操作時には中、高圧で高馬力(大流量)となるため、登坂時や傾斜地走行時を含めた走行時に必要な馬力を確保し、良好な走行性能を得ることができる。

以上の点により、作業時の作業能率と走行性能を両立させ、かつ、作業時の燃費を改善することができる。

第２及び第３実施形態(図４〜図６参照)
第１実施形態によると、走行操作時と作業操作時とに応じた両ＰＱ特性Ｉ，ＩＩの切換えが瞬間的に行われる。このため、たとえば作業中に走行操作されると、ポンプ流量が急増してアタッチメントの動きが急に早くなる等の不都合が生じるおそれがある。

そこで第２及び第３両実施形態においては、第１のＰＱ特性Ｉと第２のＰＱ特性ＩＩの間の特性の切換え時に、馬力を緩やかに変化させる移行処理を行うように構成されている。

具体的には、図４，５に示す第２実施形態においては、第１のＰＱ特性Ｉとして馬力が異なる複数(たとえば四つ。この例で説明する)のＰＱ特性Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄを設定し、移行処理として、走行操作量に応じて、大操作量で馬力が高くなる方向にポンプ流量を変化させるように構成されている。

なお、ＰＱ特性Ｉｄは第１実施形態の第１のＰＱ特性Ｉと同じ、馬力一定制御のためのＰＱカーブである。

図５は走行操作量とこれにによって発生するパイロット圧の関係を示し、このパイロット圧(操作量)の増加に応じてＰＱ特性Ｉａ〜Ｉｄが順次選択され、フル操作でＰＱ特性Ｉｄとなる。

一方、図６に示す第３実施形態においては、移行処理として、走行操作またはその停止時点から遅延時間ｔ１を持って馬力を緩やかに変化させるように構成されている。

上記第２及び第３両実施形態によると、前記のように作業アタッチメントの操作中に走行操作された場合に、ポンプ流量が急増してアタッチメントの動きが急に早くなる等の、ＰＱ特性の切換えによる不都合の発生を防止することができる。

また、第２実施形態によると、走行操作量に応じて馬力が変化するため、いいかえればオペレータの意思通りに馬力が変化するため、操作上の違和感がなく、操作性が良いものとなる。

ところで、上記各実施形態ではコントローラ２１に予め特性図(ＰＱ線図)を設定・記憶しておき、この特性図からポンプ流量を決定する構成をとったが、計算でポンプ流量を求めることも可能である。

すなわち、馬力一定制御の場合、
Ｔ＝Ｐｑ／２π
の関係からポンプ押しのけ容積ｑを求めることで流量Ｑを決定することができる。

一方、作業時には、
Ｔ＝Ｐｑ／２π−Ｔ(Ｐ)
で圧力に応じてトルクが減るように関数を設定する。Ｔ(Ｐ)はＰの関数で圧力が増えると増加する。

なお、低圧域では馬力一定制御とほぼ同じとするため、圧力の２次または３次の関数にすることが考えられる。

これにより、流量Ｑをすべて計算で求めることができるため、マップの読み取り、補間等の処理が無くなるため、コントローラ２１の処理が簡単になるというメリットがある。

あるいは、他の馬力シフト制御等と組み合わせても計算で求めることができる。

また、本発明はショベルに限らず、たとえはショベルを母体として構成される解体機や破砕機等の他のハイブリッド建設機械に広く適用することができる。

一方、本発明の応用技術として、オペレータが任意に選択する二つの作業モードを設定しておき、スイッチにより選択されたモードに応じて馬力特性を上記実施形態の第１及び第２のＰＱ特性Ｉ，Ｉのうちで切換えるように構成することもできる。

こうすれば、材木処理を行う林業仕様のプロセッサのように高圧で大流量を必要とする機械において、第１の特性Ｉを選択することにより、走行時と同様に最大限のトルクで稼動させることができる。

１，２油圧ポンプ
３作業用アクチュエータとしてのブームシリンダ
４同、バケットシリンダ
６同、アームシリンダ
７同、旋回モータ
５，８左右の走行モータ
９コントロールバルブ
１５〜２０操作手段としてのリモコン弁
２１制御手段としてのコントローラ
２２，２３ポンプレギュレータ
２４ポンプ圧センサ(ポンプ圧検出手段)
２６，２７，２９，３０パイロット圧センサ(作業操作検出手段)
２８，３１パイロット圧センサ(走行操作検出手段)

Claims

走行モータ及び走行モータ以外の作業用アクチュエータの油圧源である可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプが吐出する流量であるポンプ流量を制御するポンプレギュレータと、油圧ポンプの吐出圧力であるポンプ圧を検出するポンプ圧検出手段と、ポンプ圧に応じたポンプ流量を上記ポンプレギュレータに指令する制御手段とを備えた油圧ポンプの制御装置において、上記走行モータを駆動する走行操作を検出する走行操作検出手段と、上記作業用アクチュエータを駆動する作業操作を検出する作業操作検出手段とを設け、上記制御手段は、ポンプ圧に応じてポンプ流量を制御する馬力特性として、低圧側は共通で、中圧及び高圧側での馬力が異なる第１及び第２のＰＱ特性を設定し、走行操作時は中、高圧側の馬力が相対的に高い第１のＰＱ特性、作業操作時は中、高圧側の馬力が上記第１のＰＱ特性よりも低くてポンプ圧が上がるほど馬力が低下する第２のＰＱ特性をそれぞれ選択するように構成したことを特徴とする建設機械のポンプ制御装置。
上記制御手段は、エンジンの最大出力との関係から決められた馬力一定制御のためのＰＱ特性を上記第１のＰＱ特性として設定したことを特徴とする請求項１記載の建設機械のポンプ制御装置。
上記制御手段は、走行操作と作業操作が同時に行われる複合操作時に、上記第１のＰＱ特性を選択するように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の建設機械のポンプ制御装置。
上記制御手段は、上記第１のＰＱ特性と第２のＰＱ特性の間の特性の切換え時に、馬力を緩やかに変化させる移行処理を行うように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の建設機械のポンプ制御装置。
上記制御手段は、上記第１のＰＱ特性として馬力が異なる複数のＰＱ特性を設定し、上記移行処理として、走行操作量に応じて、大操作量で馬力が高くなる方向にＰＱ特性を変化させるように構成したことを特徴とする請求項４記載の建設機械のポンプ制御装置。
上記制御手段は、上記移行処理として走行操作またはその停止時点から遅延時間を持って馬力を緩やかに変化させるように構成したことを特徴とする請求項４記載の建設機械のポンプ制御装置。