JP2013019446A

JP2013019446A - 油圧制御弁装置

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Publication number: JP2013019446A
Application number: JP2011152384A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kobayashi; 正幸小林
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: JP5936828B2

Abstract

【課題】電気制御におけるロードセンシング制御方式を採用し、アクチュエータがハンチングせず、更に、微操作が必要なアクチュエータにおいても良好な操作性が得られ、省エネルギ性も考慮した油圧制御装置を提供する。
【解決手段】ロードセンシング式油圧制御装置の油圧回路を備える建設機械の油圧制御装置であって、容量調整用の流量調整部と接続される可変容量ポンプの出力がアンロード弁を介して接続される切換弁と、前記切換弁に接続されるアクチュエータと、これ等の切換弁を作動させるパイロット圧力を用いる油圧パイロットバルブと、ロードセンシングを算出するロードセンシング処理部とを備え、可変容量ポンプの出力の圧力を検出する可変容量ポンプ出力センサと、アンロード弁の差圧を検出するロードセンシングセンサと、油圧パイロットバルブのパイロット圧を検出するパイロット圧力センサと前記流量調整部と連結される出力部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧作動の建設機械に使用される多連型の油圧制御弁に係り、特にロードセンシング方式と呼ばれる流量制御方式の油圧制御弁装置に関するものである。

ロードセンシングとは、複数のアクチュエータを含む油圧システムにおける制御方式であり、流量制御の多連弁は１つのポンプで複数のアクチュエータを制御する油圧制御装置であり、この多連弁において複数のアクチュエータの最高負荷圧力を検出し、ポンプの吐出圧力がこの検出圧力より一定の高い圧力となるように制御する方式である。ここで、このポンプ圧力に対する負荷圧力の差をロードセンシング差圧という。このロードセンシングは、複数のアクチュエータを作動させた場合に、ポンプ吐出圧力は複数のアクチュエータの最高負荷圧より高い圧力に制御される為に、各アクチュエータに所定値の圧油を供給が可能であり、更に、必要な圧油のみを供給することで、近年、省エネルギの制御方式として注目されている。

例えば、出願人は、特許文献１において、建設機械を使用するオペレータが操作上の違和感を少なくするために、ロードセンシングを採用した可変容量型ポンプのポジコン制御における差圧調整部を電磁可変減圧弁で構成し、同減圧弁へ油圧アクチュエータの操作状況応じて生成される外部信号を導入している。

特開２００９−１０８９８７号公報

ところで、ロードセンシング制御方式を油圧制御装置に採用すると、ポンプの吐出圧力が検出圧力より一定の高い圧力になるように制御し、通常圧力を２ＭＰａ程度の一定値となるように設定されている。しかし、このような高圧下では、アクチュエータによっては、荷を吊り上げるようなクレーン作業のような微操作が必要な場合に操作性の悪化を招いたり、高い負荷圧力を有するアクチュエータや慣性が大きいアクチュエータ（負荷圧力が変動する）に対する場合には、一定の負荷圧力より高い圧油を供給し続けると、アクチュエータが振動（ハンチング）し、減衰せずにハンチングが持続するという問題点を有していた。

一方近年、油圧機器においても電気制御化が進み、コントローラにて演算させて操作量を決定することが可能である。

そこで、本発明の目的は、電気制御におけるロードセンシング制御方式を採用し、アクチュエータがハンチングせず、更に、アクチュエータがハンチングを発生した場合にすみやかに減衰し、更に、微操作が必要なアクチュエータにおいても良好な操作性が得られ、省エネルギ性も考慮した油圧制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明による建設機械の油圧制御装置は、ロードセンシング式油圧制御装置の油圧回路を備える建設機械の油圧制御装置であって、容量調整用の流量調整部と接続される可変容量ポンプの出力がアンロード弁を介して接続される切換弁と、前記切換弁に接続されるアクチュエータと、これ等の切換弁を作動させるパイロット圧力を用いる油圧パイロットバルブと、ロードセンシングを算出するロードセンシング処理部とを備え、可変容量ポンプの出力の圧力を検出する可変容量ポンプ出力センサと、アンロード弁の差圧を検出するロードセンシングセンサと、油圧パイロットバルブのパイロット圧を検出するパイロット圧力センサと前記流量調整部と連結される出力部とを備え、ロードセンシング処理部は、可変容量ポンプ出力センサからの可変容量ポンプ出力圧力信号と、ロードセンシングセンサからの差圧信号と、パイロット圧力センサからのパイロット圧信号（Ｐｉ１、Ｐｉ２）を受信すると、ロードセンシング処理部内の中央演算処理部が目標差圧プログラムを用いて目標差圧を算出し、目標差圧信号を出力部を介して前記流量調整部に送信することで、可変容量ポンプの出力を目標差圧とする。

また、前記目標差圧プログラムは、入力される可変容量ポンプ出力圧力信号と、差圧信号と、パイロット圧信号と、定数α、β、γとにより、目標差圧Ｄ＝α・パイロット圧信号＋β＋γ・（ｄＰｉ^＊／ｄｔ）の式を導き、これにより目標差圧を算出してもよい。

さらに、前記目的を達成するための本発明による建設機械の油圧制御方法は、ロードセンシング式油圧制御装置の油圧回路を備える建設機械の油圧制御装置を用いる油圧制御方法であって、容量調整用の流量調整部と接続される可変容量ポンプの出力がアンロード弁を介して接続される切換弁と、前記切換弁に接続されるアクチュエータと、これ等の切換弁を作動させるパイロット圧力を用いる油圧パイロットバルブと、ロードセンシングを算出するロードセンシング処理部とを備え、可変容量ポンプの出力の圧力を検出する可変容量ポンプ出力センサと、アンロード弁の差圧を検出するロードセンシングセンサと、油圧パイロットバルブのパイロット圧を検出するパイロット圧力センサと前記流量調整部と連結される出力部とを備える建設機械の油圧制御装置を用いて、ロードセンシング処理部は、可変容量ポンプ出力センサからの可変容量ポンプ出力圧力信号と、ロードセンシングセンサからの差圧信号と、パイロット圧力センサからのパイロット圧信号（Ｐｉ１、Ｐｉ２）を受信する工程と、ロードセンシング処理部内の中央演算処理部が目標差圧プログラムを用いて目標差圧を算出する工程と、目標差圧信号を出力部を介して前記流量調整部に送信することで、可変容量ポンプの出力を目標差圧とする。

本発明が適用される建設機械として代表的な油圧ショベルの概略構成を示す。本発明に係る建設機械の油圧制御装置のブロック図である。本発明に係る建設機械の油圧制御装置におけるパイロット圧力に対する目標差圧の演算例である。本発明に係る建設機械の油圧制御装置におけるパイロット圧対流量特性および目標差圧の特性例を示す。

以下、本発明の実施の形態に基づく実施例について添付図面の図１乃至図４を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される建設機械として代表的な油圧ショベルの概略構成を示す。同図１において、油圧ショベル１０は、油圧モータにより駆動される下部走行体３０の上に旋回機構２８を介して上部旋回体１２が旋回自在に載置されている。上部旋回体１２には、その前方一側部にキャブ１４が設けられ、且つ、前方中央部にブーム１６が俯仰可能に取り付けられている。又、ブーム１６の先端にアーム２０が上下回動自在に取り付けられ、更にアーム２０の先端にバケット２４が取り付けられている。参照符号２６はブーム用の油圧シリンダ、１８はアーム用の油圧シリンダ、２２はバケット用の油圧シリンダである。なお、図示してないが、上部旋回体１２内には原動機と、同原動機により駆動される可変容量型ポンプが搭載され、その斜板の転動角をロードセンシング信号により制御する流量調整機構を備えている。また、油圧アクチュエータである、前記の下部走行体３０および上部旋回体１２用の油圧モータ、ブーム用の油圧シリンダ２６、アーム用の油圧シリンダ１８、バケット用の油圧シリンダ２２にそれぞれ対応した油圧制御弁が多連弁として積層されて配置されている。

図２は、本発明に係る建設機械の油圧制御装置４０のブロック図によりロードセンシング式油圧制御装置４０の油圧回路構成の詳細を示す。図２において、参照符号４２は可変容量ポンプを示し、参照符号４４は可変容量ポンプの吐出量を、目標差圧の設定値アナログ電気信号により調整する流量調整部である。参照符号４６、及び４８は可変容量ポンプ４２からの圧油供給ラインＬ１と、可変容量ポンプ４２からアンロード弁５０を介した圧油供給ラインＬ２と、可変容量ポンプ４２からリリーフ弁５２を介した圧油供給ラインＬ３とに接続されたクローズドセンタ型の切換弁でありこれら切換弁４６、４８には油圧シリンダからなる油圧アクチュエータ５４、５６がそれぞれ接続されている。

また、各切換弁４６、４８と各油圧アクチュエータ５４、５６との間には補償弁５８、６０が設けられている。

このアンロード弁５０は信号ラインＬ２の圧力と可変容量ポンプ４２の圧油供給ラインＬ１との圧力差が、当該アンロード弁５０に設けられたバネ５０Ａの力によって定まる所定圧力を超えると前記圧油供給ラインＬ１をアンロードするようになっている。

この切換弁４６は、その両端に油圧操作部４６Ａ、４６Ｂを有し、この油圧操作部４６Ａ、４６Ｂに対しては、油圧パイロットバルブ６２からの操作信号圧が、信号通路６６および６８を経てそれぞれ導かれている。

また、切換弁４８は、その両端に油圧操作部４８Ａ、４８Ｂを有し、この油圧操作部４８Ａ、４８Ｂに対しては、油圧パイロットバルブ６４からの操作信号圧が、信号通路７０および７２を経てそれぞれ導かれている。

以上の構成に対して、可変容量ポンプ４２の圧油供給ラインＬ１にセンサＰを設けられている。このセンサＰは、圧油供給ラインＬ１の圧力を計測するように構成されている。このセンサＰで検出された圧力の信号を信号Ｐとする。

また、アンロード弁５０にＬ１とＬ２の差圧を測定するようにセンサＬＳが設けられている。このセンサＬＳで検出された圧力の信号を信号ＬＳとする。

さらに、信号通路７０および７２の間にチェック弁７４を設けてあり、このチェック弁７４に、信号通路７０および７２の間の高い方の油圧を計測するようにセンサＰｉ１を設けられている。このセンサＰｉ１で検出された圧力の信号を信号Ｐｉ１とする。

加えて、信号通路６６および６８の間にチェック弁７６を設けてあり、このチェック弁７６に、信号通路６６および６８の間の高い方の油圧を計測するためにセンサＰｉ２が設けられている。このセンサＰｉ２で検出された圧力の信号を信号Ｐｉ２とする。

続いてこれ等の信号、Ｐ、ＬＳ、Ｐｉ１、Ｐｉ２を入力すると吐出調整信号ｄｃｓを生成するロードセンシング処理部７８が設けられる。

ロードセンシング処理部７８は、ＡＤコンバータ８０と、中央演算処理部８２と、ＤＡコンバータ８４と、メモリ８６を備える。

ＡＤコンバータ８０は、油圧を測定したことによって得られる信号をデジタル処理可能となるように、フラッシュ型、パイプライン型、逐次比較型、デジタルシグマ型回路で構成される。

中央演算処理部（ＣＰＵ）８２は、メモリに格納されるプログラムとデータ及びＡＤコンバータ８０がデジタル化した信号、Ｐ、ＬＳ、Ｐｉ１、Ｐｉ２の値をプログラムに従って演算して、目標差圧Ｄをデジタル値として算出する。

ＤＡコンバータ８４は、中央演算処理部８２の算出した目標差圧Ｄをデジタル値を電流の値として返還し、流量調整部４４を駆動する信号を生成する回路である。

メモリ８６は、入力されたＰ、ＬＳ、Ｐｉ１、Ｐｉ２のデジタル化された値と、α、β、γの各値、さらにα（ｉ）、β（ｉ）、γ（ｉ）の各値が予め定められたアドレスに格納される。さらに、式（α・パイロット圧力＋β＋γ・ｄＰｉ／ｄｔ）についてプログラムとして格納される。

以上のように構成された本発明に係る建設機械の油圧制御装置の動作について以下に説明する。

図１において油圧パイロットバルブ６２、６４を操作すると、その信号通路６６、６８、７０、７２に２次パイロット圧力が出力される。そこで、信号通路７０、７２によりチェック弁７４の高い方の油圧がＰｉ１として検出され、信号通路６６、６８によりチェック弁７６の高い方の油圧がＰｉ２として検出される。さらに、その信号通路６６、６８、７０、７２の２次パイロット圧力は、切換弁４６、４８に設けられる油圧操作部４６Ａ、４６Ｂ、４８Ａ、４８Ｂへ導かれる。

そこで、切換弁４６、４８は、いずれかの方向に切り替えられる。その結果流量調整部４４からＬ１経由で切換弁４６、４８に到達していた圧油が、切換弁４６、４８の切り替えにより油圧アクチュエータ５４、５６に送られる。

この時に、Ｌ１の油圧Ｐと、Ｌ１とＬ２の差圧であるＬＳと、パイロット圧力Ｐｉ１とＰｉ２とが検出され、検出信号がアナログ信号としてロードセンシング処理部７８に入力される。

ロードセンシング処理部７８は、前記Ｌ１の油圧Ｐと、Ｌ１とＬ２の差圧であるＬＳと、圧力信号Ｐｉ１とＰｉ２を受信すると、ＡＤコンバータ８０は、アナログの油圧信号をデジタル化してデジタル信号に変換する。中央演算処理部８２は、デジタル信号をメモリに格納する。

この中央演算処理部８２は、メモリ８６に格納されているプログラムを起動し、α、β、γを読出して、デジタル化したＰ、ＬＳ、Ｐｉ１、Ｐｉ２データとから、目標差圧Ｄ＝式（α・パイロット圧力Ｐｉ＋β＋γ・ｄＰｉ／ｄｔ）をデジタル値として算出する。ここで、パイロット圧力Ｐｉは、センサ信号Ｐｉ１とＰｉ２の最大値として定まる値である。また、目標差圧の理想値は、実機試験またはベンチ試験で予め定めておく。この中央演算処理部８２は、算出した目標差圧ＤをＤＡコンバータ８４に送付する。ＤＡコンバータ８４は、目標差圧Ｄをアナログ化する。

アナログ化された目標差圧Ｄは、例えば図２に示される。ここで、Ｐｉ１は、通常の設定であり、Ｐｉ２は操作性を必要とするアクチュエータに対する設定となる。ここで、目標差圧の設定値をメモリ８６に格納して記憶させることで、アクチュエータに適した特性を格納したメモリの設定値選択することができる。さらに、操作モードについても、微操作モード、スピードモード等のモード切り替えによる選択方式も選択可能となる。

ＤＡコンバータ８４は、目標差圧Ｄをアナログ化された信号は、流量調整部４４に入力する。

次に、図３に本発明に係る建設機械の油圧制御装置におけるパイロット圧力対圧油の流量及び圧油の圧力に関するグラフを示す。

パイロット圧力に対する流量特性を目標差圧の変更によって、アクチュエータに適した特性に設定可能であり、操作に応じて設定を調整し、操作性向上を図ることが可能になる。また、パイロット圧力の一部の領域で、目標差圧を低く設定可能であり、時間的応答性の変更によって、慣性の大きい、負荷圧力の高いアクチュエータの振動を抑制することが可能となる。更には、パイロット圧力の一部の領域において又はモード選択によって、目標差圧を低く設定することで、ポンプ圧の余分な上昇を抑えられ、省エネルギ効果をえることができる。

なお、定数α、β、γについては、予め定めてメモリに格納する方法と、複数の定数の組を格納して、選択して適用する方法と、外部信号入力部を設け、その都度新たに入力する方法を採用することができる。

予め定めてメモリに格納すれば、特に設定することなく使用することができる。同一条件の装置を製造するのに都合が良い。

複数の定数の組を格納して、選択して適用すれば、条件がある程度変更する場合に、条件に合わせて変更できる点で望ましい。

外部信号入力部を設け、その都度新たに入力する場合は、状況に応じて最適な数値を選択して、動作可能なため、常に最適な数値を設定することができる。

さらに、目標差圧Ｄ対パイロット圧力Ｐｉ１、Ｐｉ２に対する理想目標差圧曲線データを定め、目標差圧Ｄが理想目標差圧との差が０でない場合に、α、β、γの値を差が０となるように動作時に算出して入力する方法が採用できる。

目標差圧Ｄを常に測定し、その結果をフィードバックすることで、外部からの入力に関係なく、安定した動作が可能になる。

なお、パイロット圧力Ｐｉについては、Ｐｉ１、Ｐｉ２から、例えばＰｉ＝Ｐｉ１＋Ｐｉ２のように演算することもでき、その両圧力の最大値を求めるべく、シャトル弁を用いて最大値となるようにしても良い。また、目標差圧は定常的に０となることから、Ｐｉ＝ｄｐｉ１／ｄｔ＋ｄｐｉ２／ｄｔであってもよい。慣性体の大きな操作に対しては、差圧を低くすることでハンチングを抑圧することができる。

以上本発明の好適な実施例について図面により説明したが、当業者であれば、上記の図面および説明に基づいて種々の変形をすることが可能であることはもちろんである。

１０油圧ショベル
１２上部旋回体
１４キャブ
１６ブーム
１８油圧シリンダ
２２油圧シリンダ
２０アーム
２６油圧シリンダ
２４バケット
２８旋回機構
３０下部走行体
４２可変容量ポンプ
４４流量調整部
４６、４８切換弁
４６Ａ、４６Ｂ油圧操作部
４８Ａ、４８Ｂ油圧操作部
５０アンロード弁
５０Ａバネ
５２リリーフ弁
５４、５６油圧アクチュエータ
５８、６０補償弁
６２油圧パイロットバルブ
６４油圧パイロットバルブ
６６、６８信号通路
７０、７２信号通路
７４チェック弁
７６チェック弁
７８ロードセンシング処理部
８０ＡＤコンバータ
８２中央演算処理部
８４ＤＡコンバータ
８６メモリ
Ｌ１圧油供給ライン
Ｌ２圧油供給ライン
Ｌ３圧油供給ライン
Ｐセンサ
ＬＳセンサ
Ｐｉ１センサ
Ｐｉ２センサ

Claims

ロードセンシング式油圧制御装置の油圧回路を備える建設機械の油圧制御装置であって、容量調整用の流量調整部と接続される可変容量ポンプの出力がアンロード弁を介して接続される切換弁と、前記切換弁に接続されるアクチュエータと、これ等の切換弁を作動させるパイロット圧力を用いる油圧パイロットバルブと、ロードセンシングを算出するロードセンシング処理部とを備え、可変容量ポンプの出力の圧力を検出する可変容量ポンプ出力センサと、アンロード弁の差圧を検出するロードセンシングセンサと、油圧パイロットバルブのパイロット圧を検出するパイロット圧力センサと前記流量調整部と連結される出力部とを備え、
ロードセンシング処理部は、可変容量ポンプ出力センサからの可変容量ポンプ出力圧力信号と、ロードセンシングセンサからの差圧信号と、パイロット圧力センサからのパイロット圧信号（Ｐｉ１、Ｐｉ２）を受信すると、ロードセンシング処理部内の中央演算処理部が目標差圧プログラムを用いて目標差圧を算出し、目標差圧信号を出力部を介して前記流量調整部に送信することで、可変容量ポンプの出力を目標差圧とする建設機械の油圧制御装置。
前記目標差圧プログラムは、入力される可変容量ポンプ出力圧力信号と、差圧信号と、パイロット圧信号と、定数α、β、γとにより、
目標差圧Ｄ＝α・パイロット圧信号＋β＋γ・（ｄＰｉ^＊／ｄｔ）
の式を導き、これにより目標差圧を算出することを特徴とする請求項１記載の建設機械の油圧制御装置。
ロードセンシング式油圧制御装置の油圧回路を備える建設機械の油圧制御装置を用いる油圧制御方法であって、容量調整用の流量調整部と接続される可変容量ポンプの出力がアンロード弁を介して接続される切換弁と、前記切換弁に接続されるアクチュエータと、これ等の切換弁を作動させるパイロット圧力を用いる油圧パイロットバルブと、ロードセンシングを算出するロードセンシング処理部とを備え、可変容量ポンプの出力の圧力を検出する可変容量ポンプ出力センサと、アンロード弁の差圧を検出するロードセンシングセンサと、油圧パイロットバルブのパイロット圧を検出するパイロット圧力センサと前記流量調整部と連結される出力部とを備える建設機械の油圧制御装置を用いて、
ロードセンシング処理部は、可変容量ポンプ出力センサからの可変容量ポンプ出力圧力信号と、ロードセンシングセンサからの差圧信号と、パイロット圧力センサからのパイロット圧信号（Ｐｉ１，Ｐｉ２）を受信する工程と、
ロードセンシング処理部内の中央演算処理部が目標差圧プログラムを用いて目標差圧を算出する工程と、
目標差圧信号を出力部を介して前記流量調整部に送信することで、可変容量ポンプの出力を目標差圧とする建設機械の油圧制御方法。