JP2013532782A - 建設機械用の旋回流量制御システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】上部旋回体が加速する間に油圧ポンプから吐き出される流量を制限してリリーフ弁により消耗される油圧エネルギーを低減させてエネルギー効率を高めることのできる建設機械用の旋回流量制御システム及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】エンジンと、ブームやアーム及びバケットを有する複数の作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータと、前記エンジンに接続され、前記作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータに油圧を提供する可変容量型油圧ポンプと、操作レバーまたはジョイスティックを有し、前記複数のアクチュエータの動きを指示する操作部と、前記操作部によって前記油圧ポンプの流量を前記アクチュエータ及び旋回モータにそれぞれ供給するコントロールバルブと、前記アクチュエータの一方の側に設けられ、前記アクチュエータの相対位置を感知する作業装置位置検出手段と、前記操作部の一方の側に設けられ、操作レバーまたはジョイスティックの操作量を感知する操作量感知手段と、流量設定部と、作業装置位置検出手段及びエンジンのスピードセンサから信号を受け取って旋回要求流量を補償するために流量の増加率を算出する流量制限部及び斜板制御装置に制御信号を提供する出力手段を備え、前記操作量感知手段により感知された信号を受け取って前記油圧ポンプの吐出流量を制御する流量制御コントローラと、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、建設機械用の旋回流量制御システム及びその制御方法に係り、さらに詳しくは、上部旋回体が加速する間に油圧ポンプから吐き出される流量を制限してリリーフ弁により消耗される油圧エネルギーを低減させてエネルギー効率を高めることのできる建設機械用の旋回流量制御装置に関する。

掘削機をはじめとする建設機械用の油圧装置及び油圧回路においては、ブームやアーム、バケットを有する作業装置や走行装置及び旋回装置に要求される高負荷な作業条件を効率よく行うための種々の研究・開発が絶えず行われている。

油圧ポンプは、それぞれの作業に求められる負荷とは関係なく、操作レバーの操作角度またはパイロット圧力に応じて流量を吐き出し、操作レバーを最大限に操作するか、あるいは、予め設定されたパイロット圧力が所定の圧力以上である場合に限って最大の流量を吐出する。

従来の建設機械用の油圧装置は、操作量感知手段から操作量信号が入力されれば、流量計算手段で操作量対比の好適なポンプ吐出流量を決定し、当該流量値に対応する電流で出力手段を用いて油圧ポンプの斜板制御装置を制御する。

通常、運転者が急激な旋回操作を行おうとする場合、操作レバーが急激に動いて操作量感知手段で感知される入力信号が急激に上昇する。このとき、油圧ポンプから旋回モーターに向かって流路が形成され、これに伴い、油圧ポンプの流量も急激に上昇して急加速される。

このとき、旋回モーター及び旋回装置の保護のために、旋回モーターに入力されるトルクまたは超過圧力が所定値以下に制限されるようにリリーフ弁が用いられる。

すなわち、油圧ポンプから供給される流量が増えてリリーフ弁において設定された圧力以上の圧力が形成されれば、旋回モーターを回転させるのに用いられる流量を超える流量が油圧タンクに戻される。このため、戻される流量及びリリーフ圧力に比例するエネルギーが損失となり装備の燃料効率が悪くなる。

究極的に、従来の油圧装置及び油圧回路において、旋回操作に際して、上部旋回体が回転し始める時点から加速される時点までは多くの流量が不要であるものの、上部旋回体の回転に際して油圧ポンプが常に最大の流量を吐き出すため、戻される流量及びリリーフ圧力に比例するエネルギー損失が発生し、これに伴い、燃料の消耗が増えるという問題点が発生した。

したがって、本発明は、上述した問題点を解消するために案出されたものであり、上部旋回体が加速する間に油圧ポンプから吐き出される流量を制限してリリーフ弁により消耗される油圧エネルギーを低減させてエネルギー効率を高めることのできる建設機械用の旋回流量制御システム及びその制御方法を提供することにその目的がある。

上述した目的を達成するために、本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムは、エンジンと、ブームやアーム及びバケットを有する複数の作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータと、前記エンジンに接続され、前記作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータに油圧を提供する可変容量型油圧ポンプと、操作レバーまたはジョイスティックを有し、前記複数のアクチュエータの動きを指示する操作部と、前記操作部によって前記油圧ポンプの流量を前記アクチュエータ及び旋回モータにそれぞれ供給するコントロールバルブと、前記アクチュエータの一方の側に設けられ、前記アクチュエータの相対位置を感知する作業装置位置検出手段と、前記操作部の一方の側に設けられ、操作レバーまたはジョイスティックの操作量を感知する操作量感知手段と、前記操作量感知手段及び斜板制御装置に連設され、前記操作量感知手段により感知された信号を受け取って前記油圧ポンプの吐出流量を制御する流量制御コントローラと、を備えてなるが、
前記流量制御コントローラは、操作量感知手段から信号を受け取って油圧ポンプの吐出流量を設定する流量設定部と、作業装置位置検出手段から信号を受け取って回転慣性が所定の値以上である場合に油圧ポンプの流量の増加率を減少させ、前記回転慣性が所定の値以下である場合に前記増加率を増加させる流量制限部、及び前記流量制限部で決定される流量の増加率を制限するために斜板制御装置に制御信号を提供する出力手段を備えてなることを特徴とする。

また、上述した目的を達成するために、本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムの制御方法は、エンジンと、ブームやアーム及びバケットを有する複数の作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータと、前記エンジンに接続され、前記作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータに油圧を提供する可変容量型油圧ポンプと、操作レバーまたはジョイスティックを有し、前記複数のアクチュエータの動きを指示する操作部と、前記操作部によって前記油圧ポンプの流量を前記アクチュエータ及び旋回モータにそれぞれ供給するコントロールバルブと、前記アクチュエータの一方の側に設けられ、前記アクチュエータの相対位置を感知する作業装置位置検出手段と、前記操作部の一方の側に設けられ、操作レバーまたはジョイスティックの操作量を感知する操作量感知手段と、前記操作量感知手段及び斜板制御装置に連設され、前記操作量感知手段により感知された信号を受け取って 前記油圧ポンプの吐出流量を制御する流量制御コントローラーと、を備える建設機械用の旋回流量制御システムの制御方法において、
前記操作量感知手段により感知された信号を受け取って旋回要求流量Ｑｒを算出するステップＳ１と、
前記旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒを算出するステップＳ２と、
前記作業装置位置検出手段により感知される相対位置に応じて変化する旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒと、予め設定された基準状態の勾配Ｓ（α）と、を比較し、要求される旋回モータの押しのけ容積（ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｓｗｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）Ｄｒを補償するステップＳ３と、を含んでなることを特徴とする。

さらに、上述した目的を達成するために、本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムの制御方法は、前記操作量感知手段の信号及び斜板制御装置の信号が、電気的なソレノイド制御信号またはパイロット信号圧を含んでなることを特徴とする。

本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムは、急激な旋回作動時にリリーフ弁に帰還する損失流量を極力抑えるために基準状態と比較して上部旋回体の回転状態に応じて変化する最適な流量制限勾配ｂで流量を制限し、且つ、作業装置の状態に応じて変化する上部旋回体の回転慣性によるシステム油圧を予め設定された基準圧力と比較してその差分に比例する旋回要求勾配ｃで補償することにより流量損失を極力抑えることができるというメリットがある。

本発明の一実施形態に係る油圧ポンプ制御システムの構成図である。 本発明の一実施形態に係る旋回作業時における油圧ポンプ制御ブロック構成図である。 本発明の一実施形態に係る旋回作業時におけるリリーフ圧力及び流量制御特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る旋回作業時におけるリリーフ圧力及び流量制御特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る旋回作業時における旋回要求流量の制御方法を示すフローチャートである。

本明細書及び請求範囲に用いられる用語や単語は、通常的または辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は、自分の発明を最良の方法により説明するために用語の概念を適法に定義できるという原則に即して本発明の技術的な思想に見合う意味及び概念として解釈さるべきである。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述する。

図２及び図３を参照すると、本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムは、
エンジン１と、
ブームやアーム及びバケットを有する複数の作業装置用のアクチュエータ２と、旋回モータ３と、
前記エンジン１に接続され、前記作業装置用のアクチュエータ２及び旋回モータ３に油圧を提供する可変容量型油圧ポンプ４と、
操作レバーまたはジョイスティックを有し、前記複数のアクチュエータ２の動きを指示する操作部５と、
前記操作部５によって前記油圧ポンプ４の流量を前記アクチュエータ２及び旋回モータ３にそれぞれ供給するコントロールバルブ６、７と、
前記アクチュエータ２の一方の側に設けられ、前記アクチュエータ２の相対位置を感知する作業装置位置検出手段８と、
前記操作部５の一方の側に設けられ、操作レバーまたはジョイスティックの操作量を感知する操作量感知手段９と、
前記操作量感知手段９及び斜板制御装置１１に連設され、前記操作量感知手段９により感知された信号を受け取って前記油圧ポンプ４の吐出流量を制御する流量制御コントローラ１０と、を備えてなるが、
前記流量制御コントローラ１０は、 前記操作量感知手段９から信号を受け取って油圧ポンプ４の吐出流量を設定する流量設定部１０ａと、前記作業装置位置検出手段８から信号を受け取って回転慣性が所定の値以上である場合に前記油圧ポンプ４の流量の増加率を減少させ、前記回転慣性が所定の値以下である場合に前記増加率を増加させる流量制限部１０ｂ及び前記流量制限部１０ｂで決定される流量の増加率を制限するために斜板制御装置に制御信号を提供する出力手段１０ｃを備えてなる。

好ましくは、前記流量制限部１０ｂは、前記作業装置位置検出手段８の位置検出信号による増加率を予め定められたアルゴリズムまたはテーブルにより算出する演算子を含んでなり、前記流量制御コントローラ５の流量設定部１０ａは、操作量感知手段９及びエンジン１のスピードセンサ（図示せず）から信号を受け取って油圧ポンプ４の吐出流量を設定してもよい。

本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムにおいて、前記流量制御コントローラ５は、操作量感知手段９から信号を受け取って油圧ポンプ４の吐出流量を設定する流量設定部１０ａと、作業装置位置検出手段８及びエンジン１のスピードセンサ（図示せず）から信号を受け取って旋回要求流量を補償するために流量の増加率を算出する流量制限部１０ｂと、前記流量制限部１０ｂで算出される旋回要求勾配ｃで流量の増加率を制限するために斜板制御装置１１に制御信号を提供する出力手段１０ｃと、を備えてなる。

また、前記操作量感知手段９の信号及び斜板制御装置１１の信号は、電気的なソレノイド制御信号またはパイロット信号圧を含む。

このような構成を有する本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムは、前記旋回モータ３に所定の圧力が維持されるように前記油圧ポンプ４から十分な流量を供給する場合に、下記式により、旋回モータ３に入力されるトルクＴｍが所定の値に設定される。

Ｔｍ＝Ｋｍ＊Ｐ＊Ｄｍ＝Ｊ＊ｄω／ｄｔ＋Ｂ＊ω
（Ｋｍ：トルク定数、Ｄｍ：旋回モータの押しのけ容積、Ｊ：上部旋回体の回転慣性、Ｂ：速度に対する抵抗係数）

ここで、回転速度に対する抵抗力が小さいと想定したとき、旋回モータに加えられるトルクは一定であるため、作業装置用のアクチュエータ２を有する上部旋回体の回転速度の増加率は一定であることが分かる。

逆に、前記旋回モータ３に入力される流量の増加率が所定の値に維持されると、旋回モータ３と油圧ポンプ４との間に形成される油圧システムの油圧は所定の値に制限されることが分かり、その圧力は、流量の増加率の勾配に比例する。

すなわち、図３Ａに示すように、操作部５の操作量感知手段９により感知された操作量信号による好適な要求旋回モータの押しのけ容積Ｄｒを算出するときに、旋回要求勾配ｂで流量の増加率を制限すれば、油圧ポンプ４の圧力はリリーフ圧力近くの圧力Ｂに制限されてリリーフによる圧油がタンクに帰還される損失を極力抑えることができ、且つ、最大の加速度が得られる。

一方、図３Ｂに示すように、もし、ブーム及びアーム作業装置を最大限に拡開したり、バケット作業装置を用いて重量物を掘削したりする作業過程で、上部旋回体の回転慣性が変化するが、このときに変化される上部旋回体の回転慣性に対する最適な流量制限勾配をｃとすれば、旋回要求勾配ｂで制限する場合、流量制限勾配ｃ以上の流量は全てリリーフ弁を介して油圧タンクに帰還されて損失が発生してしまう。

この場合、従来は、リリーフする流量に応じて線形的に圧力上昇が発生するリリーフ弁のオーバーライド現象があるため、損失される流量に応じて油圧ポンプ４の圧力が上昇していた。

このため、本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムは、急激な旋回作動時にリリーフ弁に帰還される損失流量を極力抑えるために基準状態（例えば、上部旋回体の停止状態）に対して上部旋回体の回転状態に応じて要求される最適な流量制限勾配ｂで流量を制限し、且つ、作業装置の状態に応じて変化する上部旋回体の回転慣性によるシステム油圧を予め設定された基準圧力と比較してその差分に比例する旋回要求勾配ｃで補償することにより、流量の損失を極力抑える。

究極的に、本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムの制御方法は、
エンジン１と、
ブームやアーム及びバケットを有する複数の作業装置用のアクチュエータ２と、旋回モータ３と、
前記エンジン１に接続され、前記作業装置用のアクチュエータ２及び旋回モータ３に油圧を提供する可変容量型油圧ポンプ４と、
操作レバーまたはジョイスティックを有し、前記複数のアクチュエータ２の動きを指示する操作部５と、
前記操作部５によって前記油圧ポンプ４の流量を前記アクチュエータ２及び旋回モータ３にそれぞれ供給するコントロールバルブ６、７と、
前記アクチュエータ２の一方の側に設けられ、前記アクチュエータ２の相対位置を感知する作業装置位置検出手段８と、
前記操作部５の一方の側に設けられ、操作レバーまたはジョイスティックの操作量を感知する操作量感知手段９と、
前記操作量感知手段９及び斜板制御装置１１に連設され、前記操作量感知手段９により感知された信号を受け取って前記油圧ポンプ４の吐出流量を制御する流量制御コントローラ１０と、を備える建設機械用の旋回流量制御システムの制御方法において、
前記操作量感知手段９により感知された信号を受け取って旋回要求流量Ｑｒを算出するステップＳ１と、
前記旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒを算出するステップＳ２と、
前記作業装置位置検出手段８により感知される相対位置に応じて変化する旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒと、予め設定された基準状態の勾配Ｓ（α）と、を比較し、要求される旋回モータの押しのけ容積Ｄｒを補償するステップＳ３と、を含んでなる。

図４を参照すると、前記旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒは、ｄＱｒ＝Ｑｒ−Ｑｒ_{（ｔ−１）}の関係式によって決定される。この後、前記作業装置位置検出手段８により感知される相対位置に応じて変化する旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒと、予め設定された基準状態の勾配Ｓ（α）とを比較して要求される旋回モータの押しのけ容積Ｄｒが補償される（ステップＳ３）。

上述したステップＳ３において、旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒが基準状態の勾配Ｓ（α）よりも小さい場合に、要求される旋回モータの押しのけ容積Ｄｒは、図４に示すように、Ｄｒ＝（Ｑｒ_{（ｔ−１）}＋Ｓ（α）＊ｄｔ）／ωの関係式によって決定される。これに対し、旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒが基準状態の勾配Ｓ（α）よりも大きい場合に、要求される旋回モータの押しのけ容積Ｄｒは、エンジン１の速度ωに応じて決定される。

ここで、前記旋回要求流量Ｑｒは、前記操作量感知手段９により感知される作業者の操作量及びエンジン１の速度に関する信号を受け取って油圧ポンプ４の吐出流量を設定する流量設定部１０ａ及び前記作業装置位置検出手段８から信号を受け取って回転慣性が所定の値以上である場合に前記油圧ポンプ４の流量の増加率を減少させ、前記回転慣性が所定の値以下である場合に前記増加率を増加させる流量制限部１０ｂによって制御される。

一方、ブームやアームを有する上部旋回体との相対位置を検出して相対位置に相当する流量制限勾配の補正値を予め実験的に求めたり、相対位置に相当する回転慣性を推定して当該慣性値に対する最適な勾配補正値を計算して補償したりしてもよい。

また、上述したように、前記流量制御コントローラ１０が、操作量感知手段９及びエンジン１のスピードセンサ（図示せず）から信号を受け取って油圧ポンプ４の吐出流量を設定する流量設定部１０ａと、前記作業装置位置検出手段８から信号を受け取って回転慣性が所定の値以上である場合に前記油圧ポンプ４の流量の増加率を減少させ、前記回転慣性が所定の値以下である場合に前記増加率を増加させる流量制限部１０ｂ及び前記流量制限部１０ｂで決定される流量の増加率を制限するために斜板制御装置に制御信号を提供する出力手段１０ｃを備えてなる。

このような構成を有する本発明に係る建設機械用の旋回流量制御システムは、急激な旋回作動時にリリーフ弁に帰還する損失流量を極力抑えるために基準状態に比較して上部旋回体の回転状態に応じて変化する最適な流量制限勾配ｂで流量を制限し、且つ、作業装置の状態に応じて変化する上部旋回体の回転慣性によるシステム油圧を予め設定された基準圧力と比較してその差分に比例する旋回要求勾配ｃで補償することにより流量損失を極力抑えることができるというメリットがある。

Claims (3)

1. エンジンと、
   ブームやアーム及びバケットを有する複数の作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータと、
   前記エンジンに接続され、前記作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータに油圧を提供する可変容量型油圧ポンプと、
   操作レバーまたはジョイスティックを有し、前記複数のアクチュエータの動きを指示する操作部と、
   前記操作部によって前記油圧ポンプの流量を前記アクチュエータ及び旋回モータにそれぞれ供給するコントロールバルブと、
   前記アクチュエータの一方の側に設けられ、前記アクチュエータの相対位置を感知する作業装置位置検出手段と、
   前記操作部の一方の側に設けられ、操作レバーまたはジョイスティックの操作量を感知する操作量感知手段と、
   前記操作量感知手段及び斜板制御装置に連設され、前記操作量感知手段により感知された信号を受け取って前記油圧ポンプの吐出流量を制御する流量制御コントローラと、を備え、
   前記流量制御コントローラが、
   操作量感知手段から信号を受け取って油圧ポンプの吐出流量を設定する流量設定部と、作業装置位置検出手段から信号を受け取って回転慣性が所定の値以上である場合に油圧ポンプの流量の増加率を減少させ、前記回転慣性が所定の値以下である場合に前記増加率を増加させる流量制限部と、及び前記流量制限部で決定される流量の増加率を制限するために斜板制御装置に制御信号を提供する出力手段とを備えてなることを特徴とする建設機械用の旋回流量制御システム。
2. エンジンと、
   ブームやアーム及びバケットを有する複数の作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータと、
   前記エンジンに接続され、前記作業装置用のアクチュエータ及び旋回モータに油圧を提供する可変容量型油圧ポンプと、
   操作レバーまたはジョイスティックを有し、前記複数のアクチュエータの動きを指示する操作部と、
   前記操作部によって前記油圧ポンプの流量を前記アクチュエータ及び旋回モータにそれぞれ供給するコントロールバルブと、
   前記アクチュエータの一方の側に設けられ、前記アクチュエータの相対位置を感知する作業装置位置検出手段と、
   前記操作部の一方の側に設けられ、操作レバーまたはジョイスティックの操作量を感知する操作量感知手段と、
   前記操作量感知手段及び斜板制御装置に連設され、前記操作量感知手段により感知された信号を受け取って前記油圧ポンプの吐出流量を制御する流量制御コントローラと、を備える建設機械用の旋回流量制御システムの制御方法において、
   前記操作量感知手段により感知された信号を受け取って旋回要求流量Ｑｒを算出するステップＳ１と、
   前記旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒを算出するステップＳ２と、
   前記作業装置位置検出手段により感知される相対位置に応じて変化する旋回要求流量Ｑｒの変化率ｄＱｒと、予め設定された基準状態の勾配Ｓ（α）と、を比較し、要求される押しのけ容積Ｄｒを補償するステップＳ３と、
   を含んでなることを特徴とする建設機械用の旋回流量制御システムの制御方法。
3. 前記操作量感知手段の信号及び斜板制御装置の信号は、電気的なソレノイド制御信号またはパイロット信号圧を含んでなることを特徴とする請求項２に記載の建設機械用の旋回流量制御システムの制御方法。

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