JP2013234528A

JP2013234528A - 建設機械の油圧制御装置

Info

Publication number: JP2013234528A
Application number: JP2012108778A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Shirakawa; 賀裕白川; Kensuke Sato; 謙輔佐藤; Yasuo Okano; 康雄岡野; Tsuyoshi Nakamura; 剛志中村
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: JP5689847B2

Abstract

【課題】ブーム上げ操作時のポンプ流量の効率的な使い方を実現できるようにした。
【解決手段】本発明は、ブーム４を駆動するブームシリンダ５と、このブームシリンダ５を作動させる圧油を供給する油圧ポンプ６と、ブーム用方向制御弁９と、このブーム用方向制御弁９を切り替えるブーム用操作装置１１とを備えた油圧ショベルの油圧制御装置において、ブーム４の上げ操作時のブームシリンダ５の推力を演算する演算部と、この演算部で演算された推力が予め設定される規定値Ｆ０以上かどうかを判定する判定部を有し、判定部で推力が規定値Ｆ０以上と判定されたときには、油圧ポンプ６からブーム用方向制御弁９に供給される圧油の量を制限せず、判定部で推力が規定値Ｆ０未満と判定されたときには、油圧ポンプ６からブーム用方向制御弁９に供給される圧油の量を制限する制御を行うコントローラ１２等を含む制御手段を備えた構成にしてある。
【選択図】図２

Description

本発明は、上下方向に回動するブームを有する油圧ショベル等の建設機械に備えられ、特に、ブーム上げ操作時の油圧制御に着目した建設機械の油圧制御装置に関する。

従来の建設機械、例えば油圧ショベルの油圧制御装置では、特に掘削作業でアームクラウドやバケットクラウドとブーム上げの複合操作時に、油圧ポンプからアームシリンダやバケットシリンダに高圧の圧油が送られるとともに、パラレル回路等で接続された低圧の圧油が必要となるブームシリンダのボトム室へも送られている。これにより従来にあっては、ポンプ消費馬力のロスが生じるという欠点があった。

このようなことから、空中ブーム下げ操作時に、油圧ポンプからブームシリンダのロッド室へ送られる圧油を調節し、ボトム室からロッド室への回路を設けることで、ポンプ消費馬力を低減する技術が特許文献１に開示されている。

国際公開第WO2004/070211号

上述した特許文献１に開示された従来技術では、ブーム下げ操作時のポンプ消費馬力の低減を可能としている。しかしながらこの従来技術にあっては、ブーム上げ操作時のポンプ流量の効率的な使い方については考慮がなされていない。

本発明の目的は、ブーム上げ操作時のポンプ流量の効率的な使い方を実現させることができる建設機械の油圧制御装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明は、ブームを備えた建設機械に設けられ、ブームを駆動するブームシリンダと、このブームシリンダを作動させる圧油を供給する油圧ポンプと、この油圧ポンプからブームシリンダに供給される圧油の流れを制御するブーム用方向制御弁と、このブーム用方向制御弁を切り替えるブーム用操作装置とを備えた建設機械の油圧制御装置において、ブームの上げ操作時のブームシリンダ推力を演算する演算部と、この演算部で演算された推力が予め設定される規定値以上かどうかを判定する判定部を有し、判定部で推力が規定値以上と判定されたときには、油圧ポンプからブーム用方向制御弁に供給される圧油の量を制限せず、判定部で推力が規定値未満と判定されたときには、油圧ポンプからブーム用方向制御弁に供給される圧油の量を制限する制御を行う制御手段を備えたことを特徴としている。

このように構成した本発明は、ブームシリンダが縮む方向に外力を受けるブーム下げ操作をしたときブームシリンダロッド圧が高まっており、ブーム上げ操作に移る際、ブームシリンダ推力が規定値未満となることがある。このときに、制御手段により油圧ポンプからブームシリンダのボトム室への油路上にあるブーム用方向制御弁への圧油を制限することにより、余剰流量を他のアクチュエータに供給することができ、ブーム上げ操作時のポンプ流量の効率的な使い方を実現させることができる。ブームシリンダのロッド室からオイルタンクへ圧油が排出されるとブームシリンダ推力が大きくなり、ブームシリンダ推力が規定値以上となる。このとき制御手段によりブーム方向制御弁への圧油を制限しないことにより、ブーム上げ動作を安定して行うことができる。

また本発明は、前記発明において、前記制御手段は、前記油圧ポンプから前記ブーム用方向制御弁に供給される圧油の量を制御する流量制御弁と、前記ブームシリンダのロッド圧を検出する第１圧力センサと、前記ブームシリンダのボトム圧を検出する第２圧力センサを含むとともに、前記第１圧力センサで検出されたロッド圧と前記第２圧力センサで検出されたボトム圧とに基づいて前記推力を演算する前記演算部と、前記判定部とを有し、前記判定部の判定結果に応じて前記流量制御弁を制御する制御信号を出力するコントローラを含むことを特徴としている。

また本発明は、前記発明において、ブーム上げ操作圧を検出する第３圧力センサを備えるとともに、前記制御手段は、前記流量制御弁を制御する電磁弁を含み、前記コントローラの前記演算部は、予め設定される前記ブームシリンダのロッド室受圧面積と前記第１圧力センサで検出されるロッド圧との積を求める第１乗算部と、予め設定される前記ブームシリンダのボトム室受圧面積と前記第２圧力センサで検出されるボトム圧との積を求める第２乗算部と、前記第２乗算部で求めた積から前記第１乗算部で求めた積を減算して前記推力を求める減算部とから成り、前記コントローラの前記判定部は、推力が前記規定値未満のときには、所定の小さい流量制御弁開口面積に保持し、推力が前記規定値以上のときには、推力が大きくなるに従って次第に大きい流量制御弁開口面積となる推力と流量制御弁開口面積の関係が設定された第１関数設定器から成り、前記コントローラは、ブーム上げ操作圧が大きくなるに従って大きい流量制御弁開口面積となるブーム上げ操作圧と流量制御弁開口面積との関係が設定される第２関数設定器と、前記第１関数設定器から出力される流量制御弁開口面積と前記第２関数設定器から出力される流量制御弁開口面積のうち最大値を選択する最大値選択器と、流量制御弁開口面積が大きくなるに従って小さい制御圧となる流量制御弁開口面積と制御圧との関係が設定され、前記最大値選択器で選択された流量制御弁開口面積に応じた制御圧を求める第３関数設定器とを含み、第３関数設定器で求められた制御圧に応じた制御信号を前述の電磁弁に出力することを特徴としている。

本発明は、ブームの上げ操作時のブームシリンダ推力を演算する演算部と、この演算部で演算された推力が予め設定される規定値以上かどうかを判定する判定部を有し、判定部で推力が規定値以上と判定されたときには、油圧ポンプからブーム用方向制御弁に供給される圧油の量を制限せず、判定部で推力が規定値未満と判定されたときには、油圧ポンプからブーム用方向制御弁に供給される圧油の量を制限する制御を行う制御手段を備えた構成にしてある。

この構成に伴って本発明は、ブームシリンダが縮む方向に外力を受けるブーム下げ操作をしたときブームシリンダロッド圧が高まっており、このようなブーム下げ操作から反転してブーム上げ操作に移る際に、ブームシリンダ推力が規定値未満となることがある。このようなときに本発明は、制御手段により油圧ポンプからブームシリンダのボトム室への油路上にあるブーム用方向制御弁への圧油が制限される。したがって本発明は、余剰流量を他のアクチュエータに供給することができ、ブーム上げ操作時のポンプ流量の効率的な使い方を実現させることができる。

本発明に係わる油圧制御装置の一実施形態が備えられる建設機械の一例として挙げた油圧ショベルを示す側面図である。本発明に係わる油圧制御装置の一実施形態の構成を示す電気・油圧回路図である。本実施形態に備えられるコントローラの要部構成を示すブロック図である。本実施形態で得られる特性を示す図である。

以下、本発明の油圧制御装置を実施するための形態を図に基づいて説明する。

図１により、本発明に係わる油圧制御装置の一実施形態が備えられる建設機械の一例として挙げた油圧ショベルの構成を説明する。

この図１に示すように、本発明に係る油圧制御装置の一実施形態が備えられる油圧ショベルは、走行体１と、この走行体１上に配置される旋回体２と、この旋回体２に上下方向の回動可能に接続されているフロント作業機３を備えている。フロント作業機３は、旋回体２に取り付けられるブーム４と、このブーム４の先端に取り付けられるアーム１９と、このアーム１９の先端に取り付けられるバケット２０とを備えている。また、このフロント作業機３は、ブーム４を駆動する一対のブームシリンダ５と、アーム１９を駆動するアームシリンダ２１と、バケット２０を駆動するバケットシリンダ２２とを備えている。

図２により、図１に示す油圧ショベルに備えられる本実施形態に係る油圧制御装置の電気・油圧回路の構成を説明する。なお、この図２においては、油圧アクチュエータとしてブームシリンダ５だけを描いてあり、アームシリンダ２１、バケットシリンダ２２等の他の油圧アクチュエータは図示を省略してある。

この図２に示すように、本実施形態に係る油圧制御装置は、エンジン８と、このエンジン８によって駆動される可変容量型の油圧ポンプ６、及びパイロットポンプ７を備えている。油圧ポンプ６の下流にはブーム用方向制御弁９が接続され、このブーム用方向制御弁９によってブームシリンダ５へ供給される圧油が制御される。またブーム用方向制御弁９を切換え操作するブーム用操作装置１１を備え、ブーム用方向制御弁９の上流側にはポペット弁１６ａと切替え弁１６ｂとから成る流量制御弁１６が配置され、油圧信号を受けた切替え弁１６ｂが切替わることでブーム用方向制御弁９への圧油の流量が制御される。

ブーム用方向制御弁９の下流にはメイクアップ機能付きのオーバーロードリリーフバルブ１７が配置され、オイルタンク１８からブームシリンダ５のボトム室５ａやロッド室５ｂへの圧油の吸い込みを可能としている。本実施形態に係る油圧制御装置は、ブームロッド圧を検出する第１圧力センサ１３と、ブームボトム圧を検出する第２圧力センサ１４と、ブーム用操作装置１１のブーム上げ側の操作に際しての操作量をブーム上げ圧力として検出する第３圧力センサ１５とを備えている。各圧力センサ１３、１４、１５は、油圧を電気信号に変換してコントローラ１２へ出力する。コントローラ１２は各圧力センサ１３、１４、１５から出力される信号に応じて比例電磁弁１０を切替え制御するための制御信号を出力し、比例電磁弁１０はコントローラ１２から出力された信号に応じて流量制御弁１６の切替え弁１６ｂを切替える。

前述したコントローラ１２と流量制御弁１６と、第１圧力センサ１３と、第２圧力センサ１４とによって本実施形態の特徴とする制御手段、すなわち、ブーム４の上げ操作時のブームシリンダ推力を演算する演算部と、この演算部で演算された推力が予め設定される規定値Ｆ０以上かどうかを判定する判定部を有し、判定部で推力が規定値Ｆ０以上と判定されたときには、油圧ポンプ６からブーム用方向制御弁９に供給される圧油の量を制限せず、判定部で推力が規定値Ｆ０未満と判定されたときには、油圧ポンプ６からブーム用方向制御弁９に供給される圧油の量を制限する制御を行う制御手段が構成されている。なお規定値Ｆ０を推力０よりも小さく設定したのは、ブームシリンダ５に作用される外力の大きさに係わらず、ブーム上げ操作が止まらずに行えるようにするためである。

図３により本実施形態に備えられるコントローラの要部構成を説明する。

図３に示すように、コントローラ１２は、ブーム上げ操作圧と流量制御弁１６の開口面積との関係が設定される第２関数設定器１２ａと、前述の推力を演算する演算部と、この演算部で演算された推力が規定値Ｆ０未満かどうか判定する前述の判定部とを備えている。なお、第２関数設定器１２ａには、第３圧力センサ１５によって検出されるブーム上げ操作圧が大きくなるに従って大きい流量制御弁１６の開口面積となるブーム上げ操作圧と流量制御弁１６の開口面積との関係が設定されている。

前述したコントローラ１２の演算部は、予め設定されるブームシリンダ５のロッド室５ｂの受圧面積と第１圧力センサ１３で検出されるロッド圧との積を求める第１乗算部１２ｂと、予め設定されるブームシリンダ５のボトム室５ａの受圧面積と第２圧力センサ１４で検出されるボトム圧との積を求める第２乗算部１２ｃと、第２乗算部１２ｃで求めた積から第１乗算部１２ｂで求めた積を減算して推力を求める減算部１２ｄとから構成されている。

また前述したコントローラ１２の判定部は、推力と流量制御弁１６の開口面積の関係が設定された第１関数設定器１２ｅから構成されている。この第１関数設定器１２ｅには、推力が規定値Ｆ０未満のときには、所定の小さい流量制御弁１６の開口面積に保持し、推力が規定値Ｆ０以上のときには、推力が大きくなるに従って次第に大きい流量制御弁１６の開口面積となる推力と流量制御弁１６の開口面積の関係が設定されている。

また、コントローラ１２には、第１関数設定器１２ｅから出力される流量制御弁１６の開口面積と第２関数設定器１２ａから出力される流量制御弁１６の開口面積のうち最大値を選択する最大値選択器１２ｆと、流量制御弁１６の開口面積と制御圧との関係が設定され、最大値選択器１２ｆで選択された流量制御弁１６の開口面積に対応した制御圧を求める第３関数設定器１２ｇを含んでいる。この第３関数発生器１２ｇには、流量制御弁１６の開口面積が大きくなるに従って小さい制御圧となる流量制御弁１６の開口面積と制御圧との関係が設定されている。

図４により本実施形態で得られる特性を説明する。

例えば図１に示す油圧ショベルにおいて、繰り返しブーム上げ操作を行い、アーム１９及びバケット２０の回動を介して行う掘削作業では、時刻Ｔ１でブーム用操作装置１１によってブーム上げ操作を開始し、第３圧力センサ１５で検出されるブーム上げ操作圧Ｐｉ１が増加し始めるが、このときブームシリンダ５には、このブームシリンダ５が縮む方向のブーム下げ操作時の外力が作用しているため、第１圧力センサ１３で検出されるブームロッド圧はＰＲ１と大きく、第２圧力センサ１４で検出されるブームボトム圧はＰＢ１と小さい。このような状況にあっては、コントローラ１２の演算部でブームシリンダ推力は規定値Ｆ０未満のＦ１と演算されることがある。

このとき流量制御弁１６の開口面積は、コントローラ１２の第１関数設定器１２ｅにおいて最小の開口面積Ｓ１と判定され、最大値選択器１２ｆで第１関数設定器１２ｅで演算された最小の開口面積Ｓ１が選択され、この最小の開口面積Ｓ１が第３関数発生器１２ｇに入力される。コントローラ１２からは、第３関数設定器１２ｇで求められた最小の開口面積Ｓ１に相応する大きな制御圧に応じた制御信号が比例電磁弁１０に出力される。これにより比例電磁弁１０はばねの力に抗して図２の右位置に切替えられ、流量制御弁１６の流量制御弁切替え弁１６ｂが遮断位置に切替えられる。したがって油圧ポンプ６から流量制御弁１６を介してブーム用方向制御弁９に供給される圧油の量が制限される。

なお、このとき、ブーム用操作装置１１の動作により図２に示すブーム用方向制御弁９が同図２の左位置に切替えられ、ブームシリンダ５のロッド室５ｂがオイルタンク１８に連通する。これにより、ブームシリンダ５のロッド室５ｂの圧油がオイルタンク１８に逃がされる。またブーム用方向制御弁９の下流に配置されたメイクアップ機能付きのオーバーロードリリーフバルブ１７により、ブームシリンダ５のボトム室５ａには、油圧ポンプ６からの圧油の供給が制限されていても、オイルタンク１８から圧油が供給される。したがって、ブームシリンダ５の挙動は、ロッド室５ｂの圧とロッド室５ｂの受圧面積の積、及びボトム室５ａの圧とボトム室５ａの受圧面積の積の大小関係に応じたものとなり、このブームシリンダ５の挙動に応じたブーム４の微小な上げ動作あるいは下げ動作が行われる。

次に、図４に示す時刻Ｔ１後の時刻Ｔ２では、ブーム上げ操作圧がＰｉ１よりも高いＰｉ２まで増加しており、このときブームシリンダ５のロッド室５ｂからオイルタンク１８へ圧油が排出されると、第１圧力センサ１３で検出されるブームロッド圧がＰＲ１よりも低いＰＲ２となり、また第２圧力センサ１４で検出されるブームボトム圧はＰＢ２となる。したがって、コントローラ１２の演算部でブームシリンダ推力は規定値Ｆ０以上のＦ２と演算されるようになる。このとき流量制御弁１６の開口面積は、第１関数設定器１２ｅにおいて最小の開口面積Ｓ２から増加方向に判定されるようになり、コントローラ１２からは、第３関数設定器１２ｇで求められた小さな制御圧に応じた制御信号が比例電磁弁１０に出力される。これにより比例電磁弁１０はばねの力により図２の左位置に切替えられる傾向となり、流量制御弁１６の切替え弁１６ｂがばねの力により連通位置に切替えられる。

したがって油圧ポンプ６からブーム用方向制御弁９に供給される圧油の量の制限が解除され、油圧ポンプ６の圧油が流量制御弁１６、ブーム用方向制御弁９を介してブームシリンダ５のボトム室５ａに供給される。これによってブーム上げ動作が行われる。なお前述した時刻Ｔ１とＴ２の間は１秒前後となる。

次に、図４に示す時刻Ｔ２後の時刻Ｔ３では、第３圧力センサ１５で検出されるブーム上げ操作圧がＰｉ２よりも低いＰｉ３となり、このとき第１圧力センサ１３で検出されるブームロッド圧がＰＲ２よりも高いＰＲ３、第２圧力センサ１４で検出されるブームボトム圧がＰＢ２よりも高いＰＢ３となる。したがって、コントローラ１２の演算部でブームシリンダ推力は規定値Ｆ０未満のＦ３と演算されるようになる。このとき最大の開口面積Ｓ３となっている流量制御弁１６の開口面積は、第１関数設定器１２ｅにおいて減少方向に判定されるようになり、第３関数設定器１２ｇで求められた大きな制御圧に応じた制御信号がコントローラ１２から比例電磁弁１０に出力される。これにより切替え弁１６ｂが再び遮断位置に切替えられ、油圧ポンプ６からブーム用方向制御弁９に供給される圧油の量が制限される。

また、ブーム用操作装置１１が大きく操作されたときには、第２関数設定器１２ａで大きな値の開口面積が求められ、最大値選択器１２ｆでこの第２関数設定器１２ａで求められた大きな値の開口面積が選択され、これに応じた制御、すなわち油圧ポンプ６の圧油を流量制御弁１６を介してブーム用方向制御弁９に供給する制御が行われる。

このように構成した本実施形態は、前述のようにブームシリンダ５が縮む方向に外力を受けるブーム下げ操作をしたときブームシリンダロッド圧が高まっており、ブーム上げ操作に移る際、ブームシリンダ推力が規定値Ｆ０未満となることがある。このとき本実施形態にあっては、コントローラ１２から出力される制御信号により油圧ポンプ６からブームシリンダ５のボトム室５ａへの油路上にあるブーム用方向制御弁９への圧油が制限される。したがって、余剰流量を図２では図示省略した他のアクチュエータに供給することができる。このようにして本実施形態によれば、ブーム上げ操作時のポンプ流量の効率的な使い方を実現させることができる。

１走行体
２旋回体
３フロント作業機
４ブーム
５ブームシリンダ
６油圧ポンプ
９ブーム用方向制御弁
１０比例電磁弁
１１ブーム用操作装置
１２コントローラ
１２ａ第１関数設定器
１２ｂ第１乗算部
１２ｃ第２乗算部
１２ｄ減算部
１２ｅ第２関数設定器
１２ｆ最大値選択器
１２ｇ第３関数設定器
１３第１圧力センサ
１４第２圧力センサ
１５第３圧力センサ
１６流量制御弁
１６ａポペット弁
１６ｂ切替え弁
１８オイルタンク

Claims

ブームを備えた建設機械に設けられ、前記ブームを駆動するブームシリンダと、このブームシリンダを作動させる圧油を供給する油圧ポンプと、この油圧ポンプから前記ブームシリンダに供給される圧油の流れを制御するブーム用方向制御弁と、このブーム用方向制御弁を切り替えるブーム用操作装置とを備えた建設機械の油圧制御装置において、
前記ブームの上げ操作時のブームシリンダ推力を演算する演算部と、この演算部で演算された推力が予め設定される規定値以上かどうかを判定する判定部を有し、前記判定部で推力が前記規定値以上と判定されたときには、前記油圧ポンプから前記ブーム用方向制御弁に供給される圧油の量を制限せず、前記判定部で推力が前記規定値未満と判定されたときには、前記油圧ポンプから前記ブーム用方向制御弁に供給される圧油の量を制限する制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
請求項１に記載の建設機械の油圧制御装置において、
前記制御手段は、前記油圧ポンプから前記ブーム用方向制御弁に供給される圧油の量を制御する流量制御弁と、前記ブームシリンダのロッド圧を検出する第１圧力センサと、前記ブームシリンダのボトム圧を検出する第２圧力センサを含むとともに、前記第１圧力センサで検出されたロッド圧と前記第２圧力センサで検出されたボトム圧とに基づいて前記推力を演算する前記演算部と、前記判定部とを有し、前記判定部の判定結果に応じて前記流量制御弁を制御する制御信号を出力するコントローラを含むことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
請求項２に記載の建設機械の油圧制御装置において、
ブーム上げ操作圧を検出する第３圧力センサを備えるとともに、前記制御手段は、前記流量制御弁を制御する電磁弁を含み、
前記コントローラの前記演算部は、予め設定される前記ブームシリンダのロッド室受圧面積と前記第１圧力センサで検出されるロッド圧との積を求める第１乗算部と、予め設定される前記ブームシリンダのボトム室受圧面積と前記第２圧力センサで検出されるボトム圧との積を求める第２乗算部と、前記第２乗算部で求めた積から前記第１乗算部で求めた積を減算して前記推力を求める減算部とから成り、
前記コントローラの前記判定部は、推力が前記規定値未満のときには、所定の小さい流量制御弁開口面積に保持し、推力が前記規定値以上のときには、推力が大きくなるに従って次第に大きい流量制御弁開口面積となる推力と流量制御弁開口面積の関係が設定された第１関数設定器から成り、
前記コントローラは、ブーム上げ操作圧が大きくなるに従って大きい流量制御弁開口面積となるブーム上げ操作圧と流量制御弁開口面積との関係が設定される第２関数設定器と、前記第１関数設定器から出力される流量制御弁開口面積と前記第２関数設定器から出力される流量制御弁開口面積のうち最大値を選択する最大値選択器と、流量制御弁開口面積が大きくなるに従って小さい制御圧となる流量制御弁開口面積と制御圧との関係が設定され、前記最大値選択器で選択された流量制御弁開口面積に応じた制御圧を求める第３関数設定器とを含み、第３関数設定器で求められた制御圧に応じた制御信号を前述の電磁弁に出力することを特徴とする建設機械の油圧制御装置。