JP2013160251A - 作業機械の動力回生装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の油圧アクチュエータで1つの被駆動体を駆動する作業機械において、操作性の急変を招くことなく、エネルギ回収と操作性向上の両立を図ると共に、簡便な構成からなる作業機械の動力回生装置を提供する。
【解決手段】油圧ポンプと、作業機械における作業装置の1つの作業部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプからの圧油を前記複数の油圧アクチュエータに切換え供給する制御弁と、前記制御弁を制御する操作装置と、前記複数の油圧アクチュエータの戻り圧油を用いてエネルギを蓄積する回生手段とを備えた作業機械の動力回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油は前記制御弁に導かれ、前記複数の油圧アクチュエータのうち、残りの油圧アクチュエータからの戻り圧油を前記回生手段に導くように構成した。
【選択図】 図2

Description

本発明は、作業機械の動力回生装置に係り、更に詳しくは、油圧アクチュエータからの戻り圧油によるエネルギを回収する作業機械の動力回生装置に関する。
近年、油圧ショベルをはじめとする油圧作業機械に対して燃料消費率(燃費)の向上に関する要求が高まっている。
ブームシリンダ(油圧シリンダ)のボトム側油圧室に接続されブーム下げ時の戻り油が流通する油路(戻り油油路)に切換弁を設置し、油圧モータ及びこれに連結された発電機を備える回生回路を当該切換弁の下流側に接続した油圧ショベルがある(例えば、特許文献1参照)。当該油圧ショベルでは、モニタパネルで選択された作業モードに応じて当該切換弁の切換位置が切り換えられるようになっており、作業モードに応じて当該回生回路とボトム側油圧室との連通状態が選択的に切り換えられるようになっている(例えば、掘削作業ではボトム側油圧室と回生回路が連通され、微操作作業ではボトム側油圧室と回生回路は遮断される)。したがって、例えば、ブーム下げ時にボトム側油圧室と回生回路が連通する作業モードが選択されている場合には、ブームを下げるとボトム側油圧室から排出される戻り油によって当該油圧モータ及び当該発電機が駆動されて回生電流が発生する。
特開2003−329012号公報
上述した油圧ショベルにおいて、回生回路の連通/遮断は、例えば、モニタパネルにおける操作モードの選択によりON−OFF的になされるものである。したがって、作業モードの切換時において、切換ショック等が発生し、油圧ショベルの操作性を悪化させる虞がある。
例えば、複数のブームシリンダで、1つのブーム(被駆動体)を駆動する油圧ショベルの場合には、複数のブームシリンダに供給される高圧大流量の圧油を切換弁によって切換えるために、切換時に切換ショックが生じる。これらの発生タイミングが同時であれば、切換ショックは倍加するし、異なる時間で発生すれば、操作性が悪化した時間が長くなるという問題がある。
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、複数の油圧アクチュエータで1つの被駆動体を駆動する作業機械において、操作性の急変を招くことなく、エネルギ回収と操作性向上の両立を図ることができる作業機械の動力回生装置を提供するものである。
上記の目的を達成するために、第1の発明は、油圧ポンプと、作業機械における作業装置の1つの作業部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプからの圧油を前記複数の油圧アクチュエータに切換え供給する制御弁と、前記制御弁を制御する操作装置と、前記複数の油圧アクチュエータの戻り圧油を用いてエネルギを蓄積する回生手段とを備えた作業機械の動力回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油は前記制御弁に導かれ、前記複数の油圧アクチュエータのうち、残りの油圧アクチュエータからの戻り圧油を前記回生手段に導くように構成したものとする。
また、第2の発明は、第1の発明において、前記複数の油圧アクチュエータの戻り圧油の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段が検出した前記複数の油圧アクチュエータの戻り圧油の圧力信号を取込み、前記複数の油圧アクチュエータの戻り圧油の圧力信号に基づいて、前記回生手段の回生動力を制御する制御装置をさらに備えたことを特徴とする。
更に、第3の発明は、第2の発明において、前記回生手段は、前記複数の油圧アクチュエータのうち、残りの油圧アクチュエータからの戻り圧油を発電機が接続された油圧モータを介してタンクに導く回生管路と、前記発電機によって発電された電力を蓄える蓄電装置とを有し、前記複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油の圧力を検出する第1圧力検出手段と、前記複数の油圧アクチュエータのうち、残りの油圧アクチュエータからの戻り圧油の圧力を検出する第2圧力検出手段と、前記第1圧力検出手段が検出した前記複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油の圧力と、前記第2圧力検出手段が検出した前記複数の油圧アクチュエータのうち、残りの油圧アクチュエータからの戻り圧油の圧力との差分圧力を演算し、この差分圧力に応じて、前記発電機の回生電力を制御する回生電力演算手段とを更に備えたことを特徴とする。
本発明によれば、複数の油圧アクチュエータで1つの被駆動体を駆動する作業機械において、複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油を直接制御弁に導き、他の油圧アクチュエータからの戻り油を回生装置に導くようにしたので、操作性の急変などを抑え、操作性の向上を図る事ができる。
本発明の作業機械の動力回生装置の一実施の形態を備えた油圧ショベルの斜視図である。 本発明の作業機械の動力回生装置の一実施の形態を示す制御システムの概略図である。 本発明の作業機械の動力回生装置の一実施の形態を構成するコントローラにおける回生演算手段の処理内容を示すブロック線図である。
以下、本発明の作業機械の動力回生装置の実施の形態を図面を用いて説明する。図1は本発明の作業機械の動力回生装置の一実施の形態を備えた油圧ショベルを示す斜視図、図2は本発明の作業機械の動力回生装置の一実施の形態を示す制御システムの概略図である。
図1において、油圧ショベル1は、ブーム(作業部材)1a、アーム(作業部材)1bを有する多関節型の作業装置1Aと、この作業装置1Aの先端に設けられたバケット1cを有する作業具1Cと、旋回体1d及び走行体1eを有する車体1Bとを備えている。ブーム1aは、旋回体1dに回動可能に支持されていて、2つのブームシリンダ(油圧アクチュエータ)である右側の第1ブームシリンダ3Aと左側の第2ブームシリンダ3Bとにより駆動される。旋回体1dは走行体1e上に旋回可能に設けられている。
アーム1bは、ブーム1aに回動可能に支持されていて、アームシリンダ(油圧アクチュエータ)3Cにより駆動される。バケット1cは、アーム1bに回動可能に支持されていて、バケットシリンダ(油圧アクチュエータ)3Dにより駆動される。第1及び第2ブームシリンダ3A,3B、アームシリンダ3C、及びバケットシリンダ3Dの駆動は、旋回体1dの運転室(キャブ)内に設置され油圧信号を出力する操作装置4(図2参照)によって制御されている。
図2に示す実施の形態においては、ブーム1aを操作する第1及び第2ブームシリンダ3A,3Bに関する制御システムのみを示している。この制御システムは、制御弁2と、操作装置4と、パイロットチェック弁9と、インバータ12と、蓄電装置13と、第1圧力センサ15Aと、第2圧力センサ15Bと、動力回生装置70とを備えており、制御装置としてコントローラ14を備えている。
油圧源装置としては、油圧ポンプ6とパイロット圧油を供給するパイロット油ポンプ6Aと作動油タンク6Bとを備えている。油圧ポンプ6とパイロット油ポンプ6Aとは同一の駆動軸で連結され、この駆動軸と直列に接続されたエンジン50によって駆動される。
油圧ポンプ6からの圧油を第1ブームシリンダ3Aと第2ブームシリンダ3Bとへ供給する管路30には、管路内の圧油の方向と流量を制御する4ポート3位置型の制御弁2が設けられている。制御弁2は、そのパイロット受圧部2a,2bへのパイロット圧油の供給により、スプール位置を切り換えて、油圧ポンプ6からの圧油を第1ブームシリンダ3Aと第2ブームシリンダ3Bとに供給して、ブーム1aを駆動している。
油圧ポンプ6からの圧油が供給される制御弁2の入口ポートは、管路30により油圧ポンプ6と接続されている。制御弁2の出口ポートは、管路31により作動油タンク6Bと接続されている。
制御弁2の一方の接続ポートは、管路3Abの一端側と管路3Bbの一端側とが接続されていて、管路3Abの他端側は第1ブームシリンダ3Aのロッド側油室と、管路3Bbの他端側は第2ブームシリンダ3Bのロッド側油室とにそれぞれ接続されている。
制御弁2の他方の接続ポートは、管路3Aaの一端側と管路3Baの一端側とが接続されていて、管路3Aaの他端側は第1ブームシリンダ3Aのボトム側油室と、管路3Baの他端側は第2ブームシリンダ3Bのボトム側油室とにそれぞれ接続されている。
管路3Baには、制御弁2側からの圧油の流入のみを許容するチェック弁7Aと分岐部32とが設けられている。分岐部32には、回生管路33が接続されている。
管路3Aaには圧力センサ15Aが、管路3Baには圧力センサ15Bがそれぞれ設けられている。この圧力センサ15A,15Bは、それぞれの管路の圧力PA,PBを検出して、その圧力に対応する電気信号に変換する信号変換手段として機能するもので、変換した電気信号をコントローラ14にそれぞれ出力可能に構成されている。
制御弁2のスプール位置は、操作装置4の操作レバー等の操作によって切換え操作される。操作装置4には、パイロット弁5が設けられていて、操作レバー等の図上a方向の傾動操作(ブーム上げ方向操作)により、パイロット油ポンプ6Aからの図示しないパイロット一次側油路を介して供給されるパイロット一次圧油を、パイロット二次側油路20aを通して制御弁2のパイロット受圧部2aに供給している。また、パイロット弁5は、操作レバー等の図上b方向の傾動操作(ブーム下げ方向操作)により、パイロット油ポンプ6Aからの図示しないパイロット一次側油路を介して供給されるパイロット一次圧油を、パイロット二次側油路20bを通して制御弁2のパイロット受圧部2bとパイロットチェック弁9の受圧部に供給している。
次に、動力回生装置70について説明する。動力回生装置70は、図2に示すように、管路3Baと、分岐部32と、回生管路33と、圧力センサ15Aと、圧力センサ15Bと、油圧モータ10と、発電機11と、インバータ12と、蓄電装置13と、コントローラ14とを備えている。
管路3Baの分岐部32に接続された回生管路33は、パイロットチェック弁9と、このパイロットチェック弁9の下流側に設置され発電機11が接続された油圧モータ10を備えており、当該油圧モータ10を介して第2ブームシリンダ3Bのボトム側油圧室からの戻り油を作動油タンク6Bに導いている。ブーム下げ時における戻り油を回生管路33に導入して油圧モータ10を回転させると発電機11が回転して回生電力を発生させ、その電力はインバータ12を介して蓄電装置13に蓄電される。
パイロットチェック弁9は、回生管路33の漏れ防止など、管路3Baから回生管路33への不用意な圧油流入(ブーム落下)を防止するために設けられていて、通常は回生管路33を遮断している。
油圧モータ10の戻り油吸入口と戻り油排出口には、バイパス管路34の両端がそれぞれ接続されている。バイパス管路34には、戻り油排出口側からの圧油の流入のみを許容するチェック弁7Bが設けられている。チェック弁7Bは、油圧モータ10駆動時にパイロットチェック弁9が閉止したときに生じる油切れやキャビテーションを防止するものである。
パイロットチェック弁9には、オペレータによってブーム下げ操作が行われたときに操作装置4のパイロット弁5の下げ側パイロット圧Pbが導かれていて、ブーム下げ操作時における操作装置4の操作量が所定量に達したときに出力される操作信号(パイロット圧Pb)によって開くように設定されている。これにより操作装置4の操作量が所定値以上になったときに油圧モータ10に戻り油が供給されるようになっている。
また、ブーム下げ操作時における油圧モータ10及び発電機11の回転数はインバータ12によって制御されている。このように油圧モータ10の回転数をインバータ12で制御すると油圧モータ10を通過する油の流量を調整できるので、第2ブームシリンダ3Bのボトム側油圧室から回生管路33に流れる戻り油の流量を調整することができる。すなわち、本実施の形態におけるインバータ12は、回生管路33の流量を制御する流量制御手段として機能している。
管路3Aaは、流量調整手段である制御弁2を介して第1ブームシリンダ3Aのボトム側油圧室からの戻り油を作動油タンク6Bに導いている。制御弁2における一方のパイロット受圧部2bにはブーム下げ操作時に操作装置4からのパイロット弁5の下げ側パイロット圧Pbが入力されており、また、他方のパイロット受圧部2aにはブーム上げ操作時に操作装置4からのパイロット弁5の上げ側パイロット圧Paが入力されている。制御弁2のスプールは、これら2つのパイロット受圧部に入力される操作信号に応じて移動し、油圧ポンプ6から第1及び第2ブームシリンダ3A,3Bに供給される圧油の方向及び流量を切り換える。
コントローラ14は、第1圧力センサ15Aから第1ブームシリンダ3Aのボトム側油室に連通する管路3Aaの圧力PAを、第2圧力センサ15Bから第2ブームシリンダ3Bのボトム側油室に連通する管路3Baの圧力PBをそれぞれ入力し、これらの入力値に応じた演算がなされ、インバータ12へ制御指令を出力することで、回生管路33を通過する戻り油の流量を制御している。
次に、コントローラ14の回生制御について、図3を用いて説明する。図3は本発明の作業機械の動力回生装置の一実施の形態を構成するコントローラにおける回生演算手段の処理内容を示すブロック線図である。図3において、図1及び図2に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図3に示すコントローラ14は、圧力偏差演算部14aと、比例積分制御演算部14bと、回生電力演算部14cとを備えている。圧力偏差演算部14aと、比例積分制御演算部14bとで構成される回路は、第2ブームシリンダ3Bのボトム側油室の圧力PBを第1ブームシリンダ3Aのボトム側油室の圧力PAに近づける発電機11の回生トルク指令が出力されるサーボ系であって、比例ゲインKpの比例制御、および積分ゲインKiの積分制御とから構成されている。回生電力演算部14cは、この発電機11の回生トルク指令から発電機11に指令する回生電力を演算してインバータ12に制御信号Tiを出力する。
まず、圧力偏差演算部14aは、第2ブームシリンダ3Bのボトム側油室の圧力PBと第1ブームシリンダ3Aのボトム側油室の圧力PAとの差である圧力偏差を演算する。第2ブームシリンダ3Bのボトム側油室の圧力PBと第1ブームシリンダ3Aのボトム側油室の圧力PAとは、第2圧力センサ15Bと第1圧力センサ15Aの検出値である。圧力偏差演算部14aの出力は、比例積分制御演算部14bに入力される。
比例積分制御演算部14bは、比例ゲイン演算器14b1、第1加算器14b2、積分ゲイン演算器14b3、第2加算器14b4、及び積分演算器14b5を備えている。
比例ゲイン演算器14b1は、予め設定された比例制御ゲインKpの値と入力信号である圧力偏差演算部14aの出力とを乗算し、その乗算値を第1加算器14b2の一方の入力端へ出力する。
第1加算器14b2は、比例ゲイン演算器14b1の出力を一方の入力端に、第2加算器14b4の出力を他方の入力端にそれぞれ入力し、2つの入力値を加算した値を発電機11の回生トルク指令として回生電力演算部14cへ出力する。
積分ゲイン演算器14b3は、予め設定された積分制御ゲインKiの値と入力信号である圧力偏差演算部14aの出力とを乗算し、その乗算値を第2加算器14b4の一方の入力端へ出力する。
第2加算器14b4は、積分ゲイン演算器14b3の出力を一方の入力端に、積分演算器14b5の出力を他方の入力端にそれぞれ入力し、2つの入力値を加算した値を第1加算器14b2へ出力する。
積分演算器14b5は、第2加算器14b4の出力を入力し、第2加算器14b4の他方の入力端に出力する。演算内容は、入力信号に対して出力信号を制御周期の時間だけ遅らせて出力するものである。第2加算器14b4の出力が積分演算器14b5を介してフィードバックされることで、積分演算を実現している。
回生電力演算部14cは、比例積分制御演算部14bから出力される発電機11の回生トルク指令を入力し、発電機11に指令する回生電力を演算し、インバータ12に制御信号Tiを送り、発電機11を回生制御する。
次に、本実施の形態における操作装置4の操作による動作について図2を用いて説明する。
まず、操作装置4の操作レバーをa方向(ブーム上げ方向)に傾動操作すると、パイロット弁5から生成されるパイロット圧Paが、制御弁2のパイロット受圧部2aに伝えられ、制御弁2が切換操作される。これにより、油圧ポンプ6からの圧油が第1及び第2ブームシリンダ3A,3Bの管路3Aa,3Baに導かれ、第1及び第2ブームシリンダ3A,3Bは伸長動作する。これに伴い、第1及び第2ブームシリンダ3A,3Bのロッド側油室から排出される戻り圧油は、管路3Ab,3Bb、制御弁2、管路31を通って作動油タンク6Bに導かれる。このとき、パイロットチェック弁9には操作圧力が導かれないので、回生管路33は遮断された状態となっており、回生動作は行われない。
次に、操作装置4の操作レバーをb方向(ブーム上げ方向)に傾動操作すると、パイロット弁5から生成されるパイロット圧Pbが、制御弁2のパイロット受圧部2bに伝えられ、制御弁2が切換操作される。これにより、油圧ポンプ6からの圧油が第1及び第2ブームシリンダ3A,3Bの管路3Ab,3Bbに導かれ、第1及び第2ブームシリンダ3A,3Bは縮小動作する。これに伴い、第1ブームシリンダ3Aのボトム側油室から排出される戻り圧油は、管路3Aa、制御弁2、管路31を通って作動油タンク6Bに導かれる。
一方、パイロット弁5からパイロット圧Pbがパイロット二次側油路20bを介してパイロットチェック弁9に操作圧として導かれるため、パイロットチェック弁9は開動作する。
これにより、第2ブームシリンダ3Bのボトム側油室から排出される戻り圧油は、管路3Baに設けたチェック弁7Aにより制御弁2への戻りが遮断されると共に、回生回路33とパイロットチェック弁9とを通って油圧モータ10に導かれる。この結果、油圧モータ10が回転することで発電機11が電力を発生し、インバータ12を介してこの電力を蓄電装置15に蓄える。
このとき、コントローラ14は、上述したように、第2ブームシリンダ3Bのボトム側油室の圧力PBを第1ブームシリンダ3Aのボトム側油室の圧力PAと等しくするための、発電機11の回生トルク指令を演算し、この発電機11の回生トルク指令を基に、制御指令信号Tiをインバータ12に出力する。
この結果、第1ブームシリンダ3Aのボトム側油室の圧力PAと第2ブームシリンダ3Bのボトム側油室の圧力PBとは、等しくなり、第1ブームシリンダ3Aと第2ブームシリンダ3Bとは、同様な動作が行われる。
このように、ブーム1aの下げ操作時に、第1及び第2ブームシリンダ3A,3Bの戻り圧油のうち、第1ブームシリンダ3Aの戻り流量は、常時制御弁2により制御されるので、操作の急変等を防止することができ、操作性の向上を図ることができる。また、コントローラ14により、第1ブームシリンダ3Aと第2ブームシリンダ3Bの各ボトム側油室の圧力が等しくなるように制御されるので、第1ブームシリンダ3Aと第2ブームシリンダ3Bの同調動作が実施され、安定した操作性が確保できる。
上述した本発明の作業機械の動力回生装置の一実施の形態によれば、複数の油圧アクチュエータで1つの被駆動体を駆動する作業機械において、複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油を直接制御弁2に導き、他の油圧アクチュエータからの戻り油を回生装置70に導くようにしたので、操作性の急変などを抑え、操作性の向上を図る事ができる。
また、上述した本発明の作業機械の動力回生装置の一実施の形態によれば、油圧アクチュエータの戻り圧力が等しくなるように、回生装置70の発電電力を制御するようにしたので、各油圧アクチュエータが同調して等しく動作し、安定した操作性を確保することが可能となる。
さらに、上述した本発明の作業機械の動力回生装置の一実施の形態によれば、操作性の急変などを抑え、操作性の向上を図るために、複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油を直接制御弁2に導き、他の油圧アクチュエータからの戻り油を回生装置70に導くように構成したので、簡便な構成で、上述した効果を得ることができる。
なお、本実施の形態におけるチェック弁7Aを、例えば、非常用パイロットチェック弁で構成しても良い。この場合、非常用パイロットチェック弁を連通状態とすると共に、パイロットチェック弁9の操作パイロット圧を遮断し、コントローラ14の出力を無効とする事で、回生装置70を備えていない通常の作業機と同様の操作が可能となる。つまり、回生装置70に異常が発生した場合、その機能を停止する事で、動力回生は行われないが、通常の作業機としての動作は可能となる。
1 油圧ショベル(作業機械)
1a ブーム
2 制御弁
2a パイロット受圧部
2b パイロット受圧部
3A 第1ブームシリンダ
3B 第2ブームシリンダ
4 操作装置
5 パイロット弁
6 油圧ポンプ
6A パイロット油ポンプ
6B 作動油タンク
7A チェック弁
7B チェック弁
9 パイロットチェック弁
10 油圧モータ
11 発電機
12 インバータ
13 蓄電装置
14 コントローラ(制御装置)
15A 第1圧力センサ
15B 第2圧力センサ
20a パイロット油路
20b パイロット油路
30 管路
31 管路
32 分岐部
33 回生管路
50 エンジン
70 動力回生装置

Claims (3)

  1. 油圧ポンプと、作業機械における作業装置の1つの作業部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプからの圧油を前記複数の油圧アクチュエータに切換え供給する制御弁と、前記制御弁を制御する操作装置と、前記複数の油圧アクチュエータの戻り圧油を用いてエネルギを蓄積する回生手段とを備えた作業機械の動力回生装置において、
    前記複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油は前記制御弁に導かれ、
    前記複数の油圧アクチュエータのうち、残りの油圧アクチュエータからの戻り圧油を前記回生手段に導くように構成した
    ことを特徴とする作業機械の動力回生装置。
  2. 請求項1に記載の作業機械の動力回生装置において、
    前記複数の油圧アクチュエータの戻り圧油の圧力を検出する圧力検出手段と、
    前記圧力検出手段が検出した前記複数の油圧アクチュエータの戻り圧油の圧力信号を取込み、前記複数の油圧アクチュエータの戻り圧油の圧力信号に基づいて、前記回生手段の回生動力を制御する制御装置をさらに備えた
    ことを特徴とする作業機械の動力回生装置。
  3. 請求項2に記載の作業機械の動力回生装置において、
    前記回生手段は、前記複数の油圧アクチュエータのうち、残りの油圧アクチュエータからの戻り圧油を発電機が接続された油圧モータを介してタンクに導く回生管路と、前記発電機によって発電された電力を蓄える蓄電装置とを有し、
    前記複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油の圧力を検出する第1圧力検出手段と、
    前記複数の油圧アクチュエータのうち、残りの油圧アクチュエータからの戻り圧油の圧力を検出する第2圧力検出手段と、
    前記第1圧力検出手段が検出した前記複数の油圧アクチュエータのうち、少なくとも1つの油圧アクチュエータからの戻り圧油の圧力と、前記第2圧力検出手段が検出した前記複数の油圧アクチュエータのうち、残りの油圧アクチュエータからの戻り圧油の圧力との差分圧力を演算し、この差分圧力に応じて、前記発電機の回生電力を制御する回生電力演算手段とを更に備えた
    ことを特徴とする作業機械の動力回生装置。
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