JP2014152564A

JP2014152564A - 除雪機

Info

Publication number: JP2014152564A
Application number: JP2013025090A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Fujii; 大介藤井; Makoto Kurihara; 信栗原; Hiroyuki Sekizaki; 裕之関崎; Katsumi Nakagawa; 勝己中川
Original assignee: Fujii Corp Co Ltd
Current assignee: Fujii Corp Co Ltd
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2014-08-25

Abstract

【課題】小型歩行型ロータリー除雪機は誰でも楽に作業が出来るよう、改良されてきた。特に除雪部の姿勢制御については、早くからローリング自動制御として開発されてきたが、除雪部姿勢の完全自動制御化には、ローリングとピッチングの二つの復動シリンダを同時に動作させる方法を提供する。
【解決手段】油圧アクチュエータの時分割制御により、除雪部１のローリング動作と、ピッチング動作とを、略同時に、略並列自動制御出来るように構成した。そして除雪部１のローリング、ピッチングそれぞれの自動制御を、油圧アクチュエータのパルス駆動制御で行うようにした。
【選択図】図７

Description

本発明は主に、個人、農家、店舗、事務所、中小事業所などで使用される小形歩行型除雪機で、その除雪作業能率の向上と操縦操作性の向上に関するものである。

小型歩行型除雪機は国や県が管理する公道、公共設備などで使用される大型除雪機とは別に、雪国地域の前記個別小口用に今では広く普及している。特に大型機の入っていけない山間地や山麓地などでは、現在では雪国の必需品並に需要が高い。この除雪機による除雪作業は、従来、成人男子の仕事だったが、徐々に少子高齢化へと時代の推移とともに担い手不足となっていき、高齢者や婦女子でも行うようになってきた。これに伴い体力、腕力のない高齢者や婦女子でも熟練男性並みに除雪作業が出来るよう、製造メーカーにおいて操作性の様々な工夫と改善がされてきた。中でも直接の除雪作業部である除雪部の姿勢制御については、かなり以前から自動水平制御を初めとして開発がされてきた。

特公平６−２３４４５特許第３６３０８９９実開平６−８５９８０

近年、これに続き除雪部昇降位置の自動制御も考案されている。しかし除雪部姿勢の自動制御化には根本的課題がある。除雪機は手動操縦用には機構は成熟しており、二つの復動油圧シリンダと油圧４方向切換電磁弁、そして操作器の４方向クロスレバースイッチで構成される。３０年以上変わらぬこの構成で製造され続けてきた。電磁弁が出力するのは４方向のいずれか一つであり、複数同時出力することは出来ない。手動操作ではこれで充分だったが、除雪部姿勢の自動制御で進行方向に対し左右のローリングと上下のピッチング（昇降）を同時に動作させようとすると、それぞれ二つの復動シリンダを同時に動作させる必要があり、従来の油圧回路、油圧機器の見直し、新規開発が必要になる。本願発明はこのような、除雪部姿勢の自動制御化、即、ローリングとピッチングの二つの復動シリンダを同時に動作させるのに、従来の油圧回路を大きく変更することなく実現し、操縦操作性と除雪作業能率を飛躍的に向上させた優れた除雪機を提供する。

前記課題を解決するために本発明において講じた手段は、原動機を搭載し、左右一対のクローラと、雪を削雪し収集するオーガと、雪を吐出させるブロワと、投雪方向を定めるシュータとによって除雪部を構成する歩行型ロータリー除雪機で、除雪部を油圧アクチュエータによる駆動で、機体進行方向に対し、左右のローリング動作または上下のピッチング（昇降）動作のいずれか出来るようにした除雪機において、前記油圧アクチュエータの時分割制御により、除雪部のローリング動作と、ピッチング動作とを、略同時に、略並列自動制御出来るように構成したことである。そして除雪部のローリング、ピッチングそれぞれの自動制御を、油圧アクチュエータのパルス駆動制御で行うようにしたことである。更にはその制御を発展させ、油圧アクチュエータの略時分割比例制御で行うようにし、除雪部の静定精度を飛躍的に上げたことである。

本発明は上記手段を施したことにより以下の効果を有する。

従来の油圧回路ほぼそのままで、除雪部のローリング動作とピッチンク動作の同時制御が出来るため、製造上においても、実際の使用上においても、従来機との違和感なく、除雪部姿勢の自動制御が低コストで実現できる。

除雪部姿勢の自動制御の実現により、従来のローリング自動制御だけでは満足には達成できなかった、「高齢者や婦女子でも熟練男性作業者並に操縦可能」を完全に実現することができ、操縦操作性が飛躍的に向上する。

除雪部の動作をパルス駆動制御にしたことにより、従来のアナログフィードバック制御（ローリング自動制御）よりオーバーランが少なく整定精度が上がるため、操縦者に与える違和感が少なく作業能率が向上する。

更に除雪部の動作をパルス駆動の略時分割比例制御にしたことにより、静定精度が飛躍的に上がり、理想的自動制御となり、操縦者に違和感を全く与えない、ヒューマンインターフェースに優れたピッチング自動制御として、操作性が飛躍的に向上し、作業能率が上がる。

歩行型ロータリー除雪機を示す全体図である。除雪部ローリング制御動作を示す斜視図である。除雪部ピッチング制御動作を示す右側面図である。除雪部をピッチング（昇降）駆動及びローリング駆動させる油圧駆動機構を示す透視斜視図である。オーガケースへのローリング制御用及びピッチング制御用のそれぞれの傾斜センサの装着を示す図である。アクチュエータであるローリング制御用及びピッチング制御用のそれぞれの油圧シリンダ（復動シリンダ）を示す斜視図である。アクチュエータである油圧電磁弁（４方向切換弁）と比較の為に汎用２方向切換弁を示す斜視図である。除雪部をピッチング（昇降）駆動及びローリング駆動させる油圧制御回路を示すブロック図である。除雪部をピッチング（昇降）駆動及びローリング駆動させる油圧制御回路を示す実体図である。除雪部ピッチング＆ローリング手動操作及びローリング＆ピッチング自動制御の制御回路ブロック図である。除雪部ローリング＆ピッチング自動制御の制御フローチャート図である。除雪部ローリング＆ピッチング自動制御用の押しボタン式操作器と除雪機の操縦用操作パネルを示す図である。除雪部ローリング＆ピッチング自動制御の油圧電磁弁パルス駆動制御（上図）と油圧電磁弁略時分割比例制御（下図）の様子を比較して示した図である。

本願の実用化に際し、安全性及びヒューマンインターフェース優先の考えから、除雪部ローリング及びピッチング自動制御動作中に除雪部手動操作用の除雪部クロスレバースイッチ６１を操作した場合、即自動運転停止させる手動優先のインターロック制御にしている、自動運転だからといって終始操縦者の思い通りに動いてくれるわけではない。除雪部姿勢を操縦者の操縦しようとする除雪部ローリング及びピッチング姿勢位置に補正した後はまた押しボタン６３１、６３２を押すと、そのまま補正した除雪部ローリング及びピッチング姿勢を維持するように自動制御運転に入る。ワンタッチで操縦者の意図をそのまま継続する。他の設定操作などは一切入らない自動運転制御であり、スイッチや押しボタンなどの従来型制御操作機器を使用する制御としてはもっとも進化した制御である。

本願発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。図１は実施例１の除雪機で除雪部側（上図）と操縦側（下図）から見た斜視図である。除雪機は通常オーガ１１により積雪を掻き崩したり削雪したりして中央部に収集し取り込み、オーガ１１中央部奥にあるブロワ（図省略）で高速回転の上、ブロワ周速で吐出させ、シュータ３によって操縦者の意図する場所に投雪させる。除雪部１は手動操作の場合、操作パネル６上の除雪部クロスレバースイッチ６１でピッチング位置と左右ローリング位置を操作する。投雪も同様にシュータクロスレバースイッチ６２で左右方向や投雪遠近を操作する。これらオーガ、ブロワ、シュータは他の制御部品や原動機（図省略）などと共に上部機体４に搭載される。これに対し除雪機の移動を行うクローラ５１や走行ミッション（図省略）などは下部機体５に搭載される。

図２に除雪部１のローリング制御動作の様子を示す。除雪部１はオーガケース１２の機体側と上部機体４の上部フレーム４１の先端部分とでメタル構成に支持され、その間にローリングシリンダＨ１が軸支され、その伸縮動作で除雪部１はメタル周りに除雪機進行方向に対し左右に回動する。上図は除雪部１の水平位置状態を、下図はローリングシリンダＨ１が伸び進行方向に対し左側にローリングしている状態を示す。図３に除雪部１の昇降制御動作の様子を示す。除雪部１を含む上部機体４全体を支える上部フレーム４１と、走行部を構成する下部機体５を支える下部フレーム５３との間にはピッチングシリンダＨ３が軸支され、その伸縮動作で除雪部１を含む上部機体４全体は、上部フレーム４１の除雪部１支持側とは反対側でちょうどクローラ５１の駆動用スプロケット５２の軸を支軸心として上下に回動する。上図は上部機体ほぼ水平状態を、下図はピッチングシリンダＨ３が伸びリフトしている状態を示す。ピッチングシリンダＨ３は使われ始めた初期の頃は、単動シリンダが使われたこともあったが、現在では段切り除雪機能の重要性から、水平より下側に、より積極的に押し下げる（ダンプ）必要性から、現在ではほとんど復動シリンダが使用されている。即ち路面上で除雪部１を水平以下に降下（ダンプ）させるとその分、走行部５の前方が上昇する。以上が現在広く普及している歩行型除雪機の一般的な構成である。

図４に除雪部１のローリング角度を検知する傾斜センサＳ１とピッチング角度を検知する傾斜センサＳ２の装着状態を示す。オーガケース１２の背面側にブラケット１２１を略水平に固着し、その略水平面に傾斜センサＳ１とＳ２をボルト固定している。ブラケット１２１には他にシュータ３を旋回させるモータやギヤ減速機なども装着している。図５に除雪部１をローリング作動させるローリングシリンダＨ１とピッチング作動させるピッチングシリンダＨ３の略斜視図を示す。どちらも一般的な復動の片ロッドシリンダで両端軸支タイプのものである。図６に除雪機に使われている油圧電磁弁Ｈ２と比較用の一般電磁弁の略斜視図を示す。除雪機用は４方向切替弁で最も基本的な摺動スプール型の電磁ソレノイドによるスプリングセンタタイプのものである。また比較用も同じ方式の２方向切替弁である。

以上の構成要素で除雪部１をピッチング及びローリング動作させる油圧機構を図７に、その油圧回路図を図８に、その実体図を図９に示し、図１０にその油圧回路を制御する電子制御ブロック図を示す。除雪部１の基本動作は、油圧電磁弁Ｈ２の一組の２方向切替弁出力Ａ１、Ｂ１ポートから復動型のピッチングシリンダＨ３を伸縮作動させ除雪部１をピッチング（昇降）作動させる。一方、もう一組の２方向切替弁出力Ａ２、Ｂ２ポートからは復動型のローリングシリンダＨ１を伸縮作動させ除雪部１をローリング作動させる。除雪部１のローリングはシュータ３と単独で上部機体４の前方で回動動作するのに対し、除雪部１のピッチングは、除雪部１を含む上部機体４全体が、スプロケット５２の駆動軸を支軸心として回動動作する。以上の油圧４回路方向の手動切り替え操作に従来からクロスレバースイッチ６１が使用されてきた。油圧電磁弁Ｈ２が出力するのは４ポートの内いずれか一つであり、複数ポートが同時に出力することはできないことに、ちょうど対応していた。手動操作の時はローリングとピッチングを同時に操作することがなかった為、これで充分だった。自然、油圧システムも早くから基本は以上の構成に成熟していた。しかし除雪部１を自動制御動作させようとすると、事情は大きく違ってくる。従来の油圧機構では除雪部１のローリング動作とピッチング動作を同時には出来ない。

同時に動作させようとするとローリングとピッチングとで、それぞれ油圧ポンプを含む別個の油圧回路にするか（図６比較用電磁弁使用）、さもなくばポンプ容量を上げ、流量調整弁や分流弁を使用する油圧システムにする必要がある。前者は比較的安価であるが従来の油圧回路がほぼ二つ必要になるため機体機構に大きく影響する。後者はコスト的にとても作業機程度の製品に使用できるものではない。本願発明ではこれを解決するため油圧電磁弁Ｈ２の時分割による、ローリングシリンダＨ１とピッチングシリンダＨ３との交互制御による両シリンダの並列制御を実現した。

本願発明での除雪部ローリング自動制御機能について説明する。除雪部クロスレバースイッチ６１の操作で除雪部１のローリング位置を決めた後、ローリング自動スイッチ６３１（図１２）の押しボタンを押すと除雪部ローリング＆ピッチング自動制御ユニットＵ１（図１０）は即座にそのローリング位置での傾斜センサＳ１の出力値を読み、取り込み、ローリンク自動制御の基準傾斜角度即ち上限角度と下限角度を設定しローリング自動運転制御を開始する。即ち、以後除雪作業進行中、除雪面の不規則な状況で機体が不用意に左右に傾き、除雪部１に装着した傾斜センサＳ１の出力値が設定した基準傾斜角値を超えると、ユニットＵ１は除雪部１のローリング傾斜角を基準傾斜角値内に入れるよう電磁弁Ｈ２を動作させ、ローリングシリンダＨ１を動作させ、除雪部１をローリング動作させる。その後、基準傾斜角に除雪された除雪面を走行部のクローラ５１が乗り上げ進行し、機体は設定したローリング姿勢に戻り、除雪部１もそのローリング位置に戻る。除雪部ローリング自動制御は除雪面のローリング制御であると共に機体のローリング姿勢制御でもある。

本願発明での除雪部ピッチング自動制御機能について説明する。除雪部クロスレバースイッチ６１の操作で除雪部１のピッチング位置を決めた後、ピッチング自動スイッチ６３２（図１２）の押しボタンを押すと除雪部ローリング＆ピッチング自動制御ユニットＵ１（図１０）は即座にそのピッチング位置での傾斜センサＳ２の出力値を読み、取り込み、ピッチング自動制御の基準傾斜角度即ち上限角度と下限角度を設定しピッチング自動制御運転を開始する。即ち、以後除雪作業進行中、除雪面の不規則な状況で機体が不用意に浮き上がったり又雪中に沈み込んだりして、除雪部１に装着した傾斜センサＳ２の出力値が設定した基準傾斜角値を超えると、ユニットＵ１は除雪部１のピッチング傾斜角を基準傾斜角値内に入れるよう電磁弁Ｈ２を動作させ、ピッチングシリンダＨ３を動作させ、除雪部１をピッチング動作させる。その後、基準傾斜角に除雪された除雪面を走行部のクローラ５１が乗り上げ進行し、機体は設定した傾斜姿勢に戻り、除雪部１もその傾斜位置に戻る。

以上が除雪部１のローリング＆ピッチング制御による除雪機体のローリング＆ピッチング姿勢制御である。除雪部ローリング＆ピッチング自動制御と命名した所以である。除雪部ローリング＆ピッチング自動制御は除雪面の除雪部ローリング＆ピッチング制御であると同時に機体のローリング＆ピッチング姿勢制御である。この機能は地面の状況に対してというよりは、むしろ積雪数メータになる雪上走行除雪時に、従来のローリング制御とは比較にならぬくらいに非常に有効である。積雪状態は全体には白一色に平坦に見えても非常に不規則且つ不均一であり、不意な凹凸面、軟質雪、硬質雪の入り交じりなどや、積雪状態、雪質状態による除雪負荷状況の急変などにより、除雪進行中は絶えず機体が浮き上がったり沈み込んだりする。本願発明により初めて、雪国での雪上除雪で、いかなる積雪状態でも成人男性の熟練操作を必要とせず、誰にでも安定して除雪作業が出来るようになった。

以上の説明で本願発明のローリング＆ピッチング制御は厳密な意味ではローリング＆ピッチング制御ではない。運動機体の姿勢制御いわゆるレート制御にはベクトルセンサのレートセンサ（ジャイロセンサ）による高応答高速フィードバック制御を必要とする。その意味で、本願発明の制御技術は姿勢制御ではなく姿勢「補正」制御といえる。スカラーセンサとしての傾斜センサと安価な油圧回路でこの姿勢「補正」制御を可能にしているのは、除雪機の除雪走行速度が他の運動機体に比べ極端に遅いことによる。自動車より二桁、航空機より三〜四桁以上も遅くなる。除雪負荷によっては幼児のヨチヨチ歩きより遅くなる。自然、機体の姿勢変化も極めてゆっくりしたものである。

図１３に本願実施例の除雪機操作パネルを示す。前記スイッチ、レバー以外は他の機能の操作器である。図１３に除雪部１のローリング＆ピッチング制御動作概念図を示す。矩形線は除雪部ピッチング自動制御ユニットＵ１の電磁弁Ｈ２への駆動信号を示す。駆動信号送出からシリンダが動作するまで応答遅れがあるため、入力の矩形線に対しその結果の連続曲線（センサＳ１、Ｓ２値）には位相遅れがある。図１３の上図は断続動作を連続継続するデジタル制御の発想から生まれた本願発明の制御方式を示す。。油圧シリンダは動作時間が長ければ長いほどオーバーランが大きい。ならばオーバーランを最小にする駆動時間で駆動しこれを繰り返す。本願ではシリンダＨ１、Ｈ３の動作遅れ時間以上、プラス停止遅れ時間以内の付近に電磁弁Ｈ２のそれぞれの動作時間を設定し（パルス）、且つローリングとピッチングを同時に動作させるため、これを交互に繰り返しそれぞれのシリンダをパルス的に動作させるようにした（時分割制御）。更には駆動直前に傾斜センサＳ１、Ｓ２の値もチェックするようにした。しかしこれだけでは１０度以上の大きな復帰動作に時間がかかるため、検出基準傾斜角を二重に設け（図で仮に±５度）、±５度までは連続復帰動作させ、±５度以内に入ったらパルス制御に切り替えるようにした。そして設定精度基準傾斜角内に入ったら、駆動前であれば駆動中止、駆動中であれば即キャンセルするようにしオーバーラン影響を最小限に抑えるようにした。以上により静定精度は従来のアナログ制御に比べ飛躍的に向上した。

当初はこのパルス駆動時間を数１０ｍｓｅｃ程度に見込んでいたが、油圧流量力を使う油圧シリンダと油圧電磁弁の油圧回路であると、１００ｍｓｅｃ（０．１秒）を超えるほどになってしまった。とても流量を使わない圧力だけのＰＷＭ制御弁（例えばＡＢＳ用制御弁）のようなわけにはいかなかった。結果、除雪部１の制御動作は操縦者が見てもわかる少々ぎこちないものとなったが、代わりにローリング＆ピッチングの復帰動作後は設定精度内以上にピタリと収まる制御安定性を実現することが出来た。パルス駆動時間や連続制御範囲は幾通りも実験を行い最適な設定にしている。この１００ｍｓ以上のパルス巾で通信やコンピュータなどより３〜４桁以上も遅い時分割制御で、ローリングとピッチングの並列制御を可能にしたのも、除雪機の除雪走行速度が他の運動機体に比べ極端に遅いことによる。交互制御での制御方法として、これについても幾多実験の結果、ピッチングとローリングとでの先行検知優先、連続制御中優先、設定値内復帰即断、などの工夫をしている。

図１３の下図に前記パルス制御を更に発展させた。略時分割比例制御方法を示す。前記パルス駆動時間をピッチングシリンダＨ３の動作遅れ時間以上で最小にすれば、オーバーラン影響を最小に出来るが、その駆動時間で断続継続しローリング＆ピッチング制御動作を行おうとすると動作速度が遅くなる。しかしそれが必要になるのは復帰動作で除雪部１の傾斜角が設定精度範囲内に入る最後の時だけである。ここに近年発達した設定値に限りなく漸近線のように静定するオーバーランの無い時分割比例制御の考えを水平展開した。本願発明では設定精度範囲内に入る直前のパルス駆動時間を最小とし、それ以前はその倍数時間、又その前は倍の倍数時間というように設定した。そしてローリング＆ピッチング復帰動作のどの時点でどのパルス駆動時間（パルス巾）にするかは、駆動直前にピックアップする傾斜センサ値によって判断するようにした。この制御方法で制御動作を行ったところ前記パルス制御より更に静定精度が向上し、また除雪部１の動作も滑らかになった。パルス巾変調に関数あてはめこそしていないものの十分に時分割比例制御と同等の効果が出ている。

以上により除雪部のローリングとピッチングの同時制御を、従来構成を大きく変更することなく実現し、雪上除雪におけるいかなる積雪状態でも、誰にでも熟練操縦者並に安定して除雪作業を行うことが出来る、操縦操作性の飛躍的に向上した除雪機を実現させた。

本願除雪機と同等の作業走行速度の作業機（歩行型農機、小中建機など）に利用が可能である。

１除雪部
３シュータ
４上部機体
５下部機体
６操縦パネル
１１オーガ
１２オーガケース
４１上部フレーム
５１クローラ
５２スプロケット
５３下部フレーム
６１除雪部クロスレバースイッチ
６２シュータクロスレバースイッチ
６３モニタ＆スイッチ操作パネル
６３１ローリング自動制御スイッチ
６３２ピッチング自動制御スイッチ
Ｓ１除雪部ローリング傾斜センサ
Ｓ２除雪部ピッチング傾斜センサ
Ｈ１除雪部ローリングシリンダ
Ｈ２除雪部油圧電磁弁
Ｈ３除雪部ピッチングシリンダ
Ｕ１除雪部ローリング＆ピッチング自動制御ユニット

Claims

原動機を搭載し、雪を削雪し収集するオーガと、雪を吐出させるブロワと、投雪方向を定めるシュータとによって除雪部を構成する除雪機で、該除雪部を油圧アクチュエータによる駆動で、機体進行方向に対し、左右のローリング動作または上下のピッチング（昇降）動作のいずれか出来るようにした除雪機において、除雪部のローリング動作と、ピッチング動作とを、前記油圧アクチュエータのローリング方向とピッチング方向との交互制御により、略同時に、略並列自動制御出来るように構成した除雪機。
前記除雪部の略並列自動制御を油圧方向切換電磁弁の時分割制御とする請求項１に記載する除雪機。
前記除雪部のローリング又はピッチングの自動制御を、前記油圧アクチュエータのパルス制御とする請求項１及び請求項２に記載する除雪機。
前記除雪部のローリング又はピッチングの自動制御を、前記油圧アクチュエータの略時分割比例制御とする請求項１及び請求項２に記載する除雪機。