JP2015511300A - 油圧システムの負荷を一定に維持するシステムおよび方法 - Google Patents

油圧システムの負荷を一定に維持するシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

油圧システムは、リザーバ（24）から作動油を送出するポンプ（22）と、第１ポートおよび第２ポートを有するアクチュエータ（26）とを含む。計量バルブアレンジメント（28）は、ポンプと第１ポートとの間に配置されるメータ-インバルブ（30a、30d）および第２ポートとリザーバとの間に配置されるメータ-アウトバルブ（30b、30c）を含み、アクチュエータを通過する作動油の流れを制御する。コントローラ（34）は、計量バルブアレンジメントの操作を制御する。メータ-インモードにおいて、コントローラは、メータ-インバルブのオリフィスサイズを制御することにより、アクチュエータを通過する作動油の流量を制御する。メータ-アウトモードにおいて、コントローラは、メータ-アウトバルブのオリフィスサイズを制御することにより、アクチュエータを通過する作動油の流量を制御する。コントローラは、メータ-インモードとメータ-アウトモードとの両方でメータ-アウトバルブから得られるデータに基づきアクチュエータを通過する作動油の流量を決定する。

Description

（関連する出願の相互参照）
この出願は、ＰＣＴ国際特許出願として、２０１３年１月１６日に提出されており、また２０１２年１月３１日に提出された米国特許出願第61/593,072号に対する優先権を主張するものであり、その開示内容の全てが参照されてここに組み込まれる。
油圧システムにおいて、メータ-インおよびメータ-アウト要素は、油圧アクチュエータの制御に使用される。メータ-イン制御バルブは、ポンプからアクチュエータ入口への作動油の流れを制限する。この場合、メータ-イン制御バルブは、出口側に負荷が存在するシステムのみに使用され、出口側から負荷が逃げるシステムで使用することはできない。メータ-アウト制御バルブは、アクチュエータ外への作動油の流れを制限する。メータ-アウト制御バルブは、システムから排出される作動油の流れを調節するので、負荷の抜けを回避することができるとともに負荷制御の維持が可能である。負荷の移行時に、負荷速度を制御するバルブは、「メータ-イン」から「メータ-アウト」へ（あるいは「メータ-アウト」から「メータ-イン」へ）切り替わることが要求される。計量要素の精度におけるいかなる差異であっても、望ましくないあるいは危険な状態にさえなり得る負荷速度に切り替わる結果となる。
本発明の油圧システムは、リザーバから作動油を送出するポンプと、第１ポートおよび第２ポートを備えるアクチュエータと、ポンプと第１ポートとの間に配置されるメータ-インバルブならびに第２ポートとリザーバとの間に配置されるメータ-アウトバルブを含み、アクチュエータを通過する作動油の流れを制御する計量バルブアレンジメントと、計量バルブの操作を制御するコントローラと、を備え、油圧システムは、メータ-インバルブのオリフィスサイズを制御することでアクチュエータを通過する作動油の流量を制御するメータ-インモードで操作可能であり、油圧システムは、メータ-アウトバルブのオリフィスサイズを制御することでアクチュエータを通過する作動油の流量を制御するメータ-アウトモードで操作可能であり、コントローラは、メータ-インモードとメータ-アウトモードとの両方でメータ-アウトバルブから得られるデータに基づきアクチュエータを通過する作動油の流量を決定する。
本発明の油圧システムを制御する方法は、メータ-インバルブを作動させることで油圧アクチュエータへの作動油の流れが制御されるメータ-インモードで油圧システムを操作するステップと、油圧アクチュエータにおける入口負荷を検出するステップと、油圧アクチュエータにおける出口負荷を検出するステップと、出力負荷が入力負荷よりも大きい場合、メータ-アウトバルブを作動させることにより油圧アクチュエータからの作動油の流れを制御するメータ-アウトモードで油圧システムを操作するステップと、を含む。
図面に示されるのは、現時点で望ましいと思われる実施形態を具現化したのもであり、示された詳細な配置および手段に限定することを意図するものではない。
本実施形態の油圧制御システムの概略図である。 図１の油圧制御システムの概略図である。 図１の油圧制御システムの概略図である。 油圧制御システムが適用された掘削機を示す図である。 油圧システムを制御する方法を示すフロー図である。
図１は、本発明に係る油圧システム20を示す。油圧システム20は、リザーバ24から作動油を送出するポンプ22（例えば、可変容量型ポンプ）を含む。ポンプ22によって送出された作動油は、アクチュエータ26の駆動に使用される。図示された実施形態において、アクチュエータ26は、双方向型油圧モータであるが、他の実施形態において油圧シリンダまたは他のあるいは他の構造とすることが可能である。バルブアレンジメント28は、ポンプ22とアクチュエータ26との間、同様にアクチュエータ26とリザーバ24との間の流体接続を制御するために使用される。バルブアレンジメント28は、第１バルブ30a、第２バルブ30b、第３バルブ30cおよび第４バルブ30dを含む。バルブ30a-30dは、可変オリフィスバルブであることが望ましい。リリーフバルブ32は、ポンプ22とバルブアレンジメント28との間に配置される。ポンプ22の出力側の圧力がリリーフバルブ32の設定圧力を超える場合、リリーフバルブ32は、予め定められた設定圧力を超えた時点でバルブアレンジメント28へ作動油圧が供給されるのを阻止するため、ポンプ22からリザーバ24へ流れる作動油の一部を排出する。システム20は、バルブアレンジメント28、リリーフバルブ32およびポンプ22の作動を制御するコントローラ34を含む。ユーザインタフェース36は、オペレータがコントローラ34へ伝達されるオペレータ制御信号を発生させることを可能にする。特定の実施形態において、ユーザインタフェース36は、ジョイスティック、レバー、制御ボタン、キーボード、他のインタフェース構造、あるいはそれらの組み合せを含む。図１に示されるように、アクチュエータ26は、負荷38を駆動するために使用される。
一実施形態において、アクチュエータ26は、掘削機100（図４参照）で使用される。掘削機100は、車台104上に設けられるアッパアセンブリ102を含む。車台104は、地面に沿って掘削機100を推進させるために使用される無限軌道または車輪等の推進構造を含む。車台104はまた、車台フレーム、および推進構造106の駆動源として１つ以上の駆動装置を含む。アッパアセンブリ102はキャブ108を含む。典型的に、アッパアセンブリ102は、アッパアセンブリ102が車台104に対して垂直軸110を中心に３６０°回転することを可能にするセンタピンによって車台104に取り付けられる。スイングドライブ（すなわち、旋回ドライブ）は、アッパアセンブリ102を車台104に対して垂直軸110を中心に回転させるために使用される。アッパアセンブリ102はまた、掘削機アーム112を含む。掘削機アーム112は、典型的に関節構造であるとともにその自由端にバケット114等の掘削要素を含む。アクチュエータ26は、掘削機100のアッパアセンブリ102を掘削機100の車台104に対して垂直軸110を中心にピボット回転させるために使用される。このような実施形態において、アクチュエータ26は、スイングドライブ（すなわち、旋回ドライブ）として機能し、また負荷38は、掘削機100のアッパアセンブリ102を選択された回転速度で垂直軸110を中心に回転させるための駆動装置に象徴される。
図１−３を参照すると、アクチュエータ26は、第１ポート40と第２ポート42とを含む。アクチュエータ26が双方向型であることから、第１ポート40および第２ポート42は、相互に入れ替わることが可能である。例えば、図２に示されるように、負荷38が第１方向120へ回転しているとき、第１ポート40はポンプ22に流体接続される入力ポートであり、第２ポート42はリザーバ24に流体接続される出力ポートである。対照的に、図３に示されるように、負荷38が第２方向で回転しているとき、第２ポート42はポンプ22に流体接続される入力ポートであり、第１ポート40はリザーバ24に流体接続される出力ポートである。
システム20がメータ-インモードおよびメータ-アウトモードで作動可能であることは理解されるであろう。アクチュエータ26の入力ポートにおける作動油圧が、アクチュエータ26の出力ポートにおける作動油圧よりも高いとき、システム20はメータ-インモードで作動する。ポンプ22から送出される作動油圧がアクチュエータ26によって積極的に使用されるとき、これは発生する。アクチュエータ26の出力ポートにおける作動油圧がアクチュエータ26の入力ポートにおける作動油圧よりも高いとき、システム20はメータ-アウトモードで作動する。重力の影響あるいは他の手段が負荷38にオーバーラン状態への移行を引き起こすとき、この状態は発生する。
図２は、負荷38が第１方向120へ回転する状態のシステム20を示す。負荷38が第１方向120へ回転する状態では、第１バルブ30aはメータ-インバルブであり、第３バルブ30cはメータ-アウトバルブであり、また第２バルブ30bおよび第４バルブ30dは閉弁される。メータ-インモードにおいて、ポンプ22によって送出された作動油はアクチュエータ26の駆動に使用され、また第１バルブ30aのオリフィスサイズは、要求される流量の作動油をアクチュエータ26へ供給するための計量機能をもたらすようにコントローラ34によって制御される。要求される流量はむしろ、負荷38を回転させるために要求される回転速度に相当する。結果的に重力の影響によって負荷38がオーバーラン状態への移行を開始し、第２ポート42における作動油圧は、第１ポート40における作動油圧よりも高くなる。この圧力変動は、アクチュエータ26の反対側に配置された圧力センサ50a, 50bによって検出することができる。第２ポート42における作動油圧が第１ポート40における作動油圧を超えるとき、システム20は、メータ-インモードからメータ-アウトモードへ切り替わる。メータ-アウトモードにおいて、コントローラ32は、アクチュエータ26を通過する作動油の流量を制御するために第３バルブ30cのオリフィスサイズを制御する。このようにして、重力の影響に抗して、負荷38は一定の回転速度での回転を持続することができる。システム20はまた、圧力センサ50cおよび50dを含む。負圧センサ50cは、ポンプ22の出力位置におけるシステム20のシステム圧力を測定する。負圧センサ50dは、システム20のタンク圧力を測定する。センサ50a-50dのすべては、リアルタイムで圧力データをコントローラへ送信するため、望ましくはコントローラに相互接続される。
前述したように、負荷38の回転速度は、アクチュエータ26を通過する作動油の流量に依存する。コントローラ34は、メータ-インモードとメータ-アウトモードとの両方でメータ-アウトバルブ（すなわち、第３バルブ30c）から得られるデータに基づき、アクチュエータ26を通過する作動油の流量を決定する。例えば、第３バルブ30cのオリフィスサイズおよび圧力センサ50b, 50dから得られる圧力値に基づき、コントローラは、アクチュエータ26を通過する作動油の流れに対応する流量値を計算または決定することができる。油圧システムがメータ-インモードあるいはメータ-アウトモードで作動するかどうかにかかわらず、アクチュエータ26を通過する作動油の流量を決定するために使用されるデータが第３バルブ30cから得られることは重要である。異なる計量要素間で精度が相違することがあるため、これは重要である。このように、メータ-インモードとメータ-アウトモードとが切り替わるとき、異なる計量要素からのデータが速度計算に使用される場合、２つの計量要素間の精度の相違は、負荷38の回転速度を望ましくない速度に変更する結果をもたらす可能性がある。メータ-インモードとメータ-アウトモードとの両方で第３バルブ30cからのデータを使用することにより、このような不具合は回避される。
図３は、負荷38が第２方向130へ回転している状態を示す。負荷38が第２方向へ回転しているとき、第２ポート42は入力ポートであり、第１ポート40は出力ポートであり、また第１バルブ30aと第３バルブ30cとは閉弁される。第４バルブ30dはポンプ22と第２ポート42との間の流体接続を制御し、第２バルブ30bは第１ポート40とリザーバ24との間の流体接続を制御する。メータ-インモードにおいて、第４バルブ30dのオリフィスサイズは、負荷38が望ましい回転速度で回転するように、アクチュエータ26へ供給する作動油の流量を制御する。オーバーラン状態の場合、コントローラ34は、第１ポート40における作動油圧が第２ポート42における作動油圧を超えていることを検出し、システムをメータ-アウトモードへ切り替える。メータ-アウトモードにおいて、第２バルブ30bは、アクチュエータ26を通過する作動油の流量を制御する計量バルブとして機能する。このモードにおいて、コントローラは、アクチュエータ26を通過する作動油の望ましい流量が維持されるように、第２バルブ30bのオリフィスサイズを制御する。コントローラ34は、負荷38が第２方向130へ回転しているとき、システム20がメータ-インモードあるいはメータ-アウトモードであるかにかかわらず、第２バルブ30b（すなわち、メータ-アウトバルブ）から得られるデータを使用する。前述したように、メータ-アウトバルブのみから得られる作動油の流れのデータを使用することにより、負荷38の回転速度は、負荷の移行中、より正確に制御することができる。
システムを使用する上で、オペレータは、ユーザインタフェース36で制御信号を発生させる。速度制御信号は、オペレータが意図する負荷38の回転方向を示し、またオペレータが意図する負荷38の回転速度を示す。コントローラ34は、制御信号を受信すると、オペレータが意図する回転速度および回転方向へ負荷38を駆動させるためにバルブアレンジメント28およびポンプ22を作動させる。アクチュエータ26が望ましい速度および方向へ回転することを保証するため、コントローラは、アクチュエータ26を通過する作動油の流量を監視する。システム20がメータ-インモードあるいはメータ-アウトモードであるかにかかわらず、アクチュエータを通過する作動油の流量は、メータ-アウトバルブから得られるデータに基づき決定される。このようなデータは、多くの方法で決定することができる。バルブ30a-30dを通過する作動油の流れは、流量センサによって直接測定される。あるいは、作動油の流れは、バルブコントローラの位置、バルブアクチュエータ電流、システム内における作動油圧、あるいはその組み合わせに基づき推測することができる。
図５は、油圧システム200の制御方法を示す。方法は、アルゴリズムによって実行されるとともにユーザインタフェース（ステップ202）からの入力を受け入れることを含む。入力は、制御方向に対応する信号、望ましい速度等を含む。望ましい方向入力は、油圧アクチュエータにおけるどのポートが入力ポートであるか、またどのポートが出力ポートであるかを決定する。そして、メータ-インバルブおよびメータ-アウトバルブは、入力ポートおよび出力ポートの位置に基づき識別される（ステップ204）。メータ-インバルブは油圧ポンプとアクチュエータ入口との間に位置し、メータ-アウトバルブはアクチュエータ出口とオイルリザーバとの間に位置する。メータ-インモードにおいて、メータ-アウトバルブは全開であり、同時にアクチュエータへの作動油の流れは、メータ-インバルブの動作に基づき制御される（ステップ206）。実際のシステム流量は、メータ-アウトバルブあるいはその近傍で決定される（ステップ208）。この測定値あるいは計算値は、（ユーザ入力に基づく）望ましい流量と比較され、またメータ-インバルブはその結果に応じて作動される。アクチュエータ入力および出力負荷も同様に監視される（ステップ210）。入力負荷が出力負荷より大きい状態が維持される場合、システムは、メータ-インモードを維持する（ステップ206へ戻る）。出力負荷が入力負荷を超える場合（ステップ211）、それは逃げの負荷（すなわち、アクチュエータによって用いられた力と同じ向きへ移動する負荷）を示す。このような負荷変動によってメータ-インモードからメータ-アウトモードへの移行が開始される。メータ-アウトモードにおいて、メータ-アウトバルブは、望ましいシステム流量を維持するために最初に作動される（ステップ214）。その後、メータ-インバルブは開弁される（ステップ216）。入口負荷および出口負荷の監視が継続され、出口負荷が入口負荷よりも大きい状態が維持される場合（ステップ218）、メータ-アウトバルブの作動が維持される（すなわち、ステップ214に戻る）。入口負荷が出口負荷より小さい場合、アルゴリズムはメータ-インモードへ戻り（ステップ206へ戻る）、また必要に応じてメータ-インバルブの作動が維持される。このプロセス中はいつでも、指令方向の変更は、バルブ配列の変更を必要とする（指令方向が変更されたときメータ-インバルブとして予め指定されたバルブがメータ-アウトバルブとして指定される）。これは制御アルゴリズムをステップ202に戻す。前述したように、システムがメータ-インモードあるいはメータ-アウトモードであるかにかかわらず、流量はメータ-アウトバルブで測定される。
前述の油圧制御システムは、シングルパッケージあるいはマルチパッケージのどちらかで、一式で販売される。パッケージ一式は、コントローラ、圧力センサ、ポンプ、バルブ等を含む。あるいは、コントローラは、単一の独立型ユニットとして販売することができる。そして、ユーザーは、第三者あるいはポンプサプライヤから単独で、種々なバルブ、センサ等を入手することができる。望ましいのであれば、パッケージ一式に含まれる取扱説明書はまた特定の指示に基づき要求されるタイプの配線を限定する可能性があるが、制御配線が含まれる可能性もある。
さらに、電子コントローラは、必要なソフトウェアあるいはシステムの使用に必要とされるファームウェアがロードされる可能性がある。選択的な形態において、ＰＣがコントローラとして使用される場合、または、ＰＣがユーザあるいはサービスインターフェースとして制御あるいはポンプシステムと関連して使用される場合、標準的ＰＣへのアップロード用の種々のタイプの記憶媒体（ＣＤ、ＤＶＤ、ＵＳＢドライブ等）が含まれる。さらに、ウェブサイトアドレスおよびパスワードは、インターネット上のウェブサイトからダウンロードするためのプログラム用キット取扱説明書に含まれる可能性がある。ここで説明された制御アルゴリズム技術は、ハードウェア、ソフトウェア、あるいはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで実現することができる。ここに説明された技術は、単一コンピュータシステムにおける集中型方式あるいは異なる要素がいくつかの相互接続されたコンピュータシステムに散在する分散型方式で実現することができる。いかなる種類のコンピュータシステムあるいはここで説明された方法を実施するために組まれた他の装置も適合する。ハードウェアおよびソフトウェアの典型的な組み合わせは、前述した方法を実施することができるようにコンピュータシステムを制御するロードあるいは実行されるコンピュータプログラムを有する汎用コンピュータシステムとなり得る。しかしながら、技術がまた重機で使用されることが見込まれるので、必要なオペレータインタフェースを含むスタンドアローンハードウェアシステムが望ましい。
ここでも説明された技術は、ここで説明された方法を実施可能にするすべての特徴を構成し、またコンピュータシステムに組み込まれることでこれら方法が実施可能になるコンピュータプログラムに埋め込むことができる。現況におけるコンピュータプログラムは、すぐにあるいは以下の a), b) のいずれか一方の後で特定の機能を実行する情報処理機能を有するシステムをもたらす命令一式の、あらゆる式、言語、コードあるいは表記を意味する。
a) もう１つの言語、コードあるいは表記への変換、
b) 異なるマテリアルフォームでの複写。
本発明の典型的および望ましいと考えられる実施形態をここで説明したが、当業者が本実施形態からの他の変更された実施形態をなし得ることは明白である。ここで開示される特定の製造方法および構造は本質的典型であって、限定することを意図するものではない。そのため、技術の精神および範疇に含まれるそのような変更のすべてが、添付されたクレームによって保証されることが望まれる。よって、特許証によって保証されることが望まれるものは、以下のクレームで定義および差別化される技術、ならびにすべての同等物である。

Claims (13)

  1. リザーバから作動油を送出するポンプと、
    第１ポートおよび第２ポートを有するアクチュエータと、
    ポンプと第１ポートとの間に配置されるメータ-インバルブおよび第２ポートとリザーバとの間に配置されるメータ-アウトバルブを含み、アクチュエータを通過する作動油の流れを制御する計量バルブアレンジメントと、
    計量バルブアレンジメントの操作を制御するコントローラと、を含み、
    油圧システムは、メータ-インバルブのオリフィスサイズを制御することによりコントローラがアクチュエータを通過する作動油の流量を制御するメータ-インモードで操作可能であり、油圧システムは、メータ-アウトバルブのオリフィスサイズを制御することによりコントローラがアクチュエータを通過する作動油の流量を制御するメータ-アウトモードで操作可能であり、コントローラは、メータ-インモードとメータ-アウトモードとの両方でメータ-アウトバルブから得られるデータに基づきアクチュエータを通過する作動油の流量を決定する、ことを特徴とする油圧システム。
  2. アクチュエータは、第１方向および第２方向へ作動することを特徴とする請求項１に記載された油圧システム。
  3. アクチュエータが第１方向へ作動するとき、作動油は、第１ポートから第２ポートへ流通することを特徴とする請求項２に記載された油圧システム。
  4. アクチュエータが第２方向へ作動するとき、作動油は、第２ポートから第１ポートへ流通することを特徴とする請求項２に記載された油圧システム。
  5. コントローラへ制御信号を送信するためのユーザインタフェースをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載された油圧システム。
  6. ユーザインタフェースは、少なくとも１つのジョイスティック、レバー、制御ボタン、およびキーボードを含むことを特徴とする請求項１に記載された油圧システム。
  7. メータ-インバルブおよびメータ-アウトバルブは、各々、可変オリフィスバルブを含むことを特徴とする請求項１に記載された油圧システム。
  8. メータ-インバルブを作動させることで油圧アクチュエータへの作動油の流れを制御するメータ-インモードで油圧システムを操作するステップと、
    油圧アクチュエータで入口負荷を検出するステップと、
    油圧アクチュエータで出口負荷を検出するステップと、
    出口負荷が入口負荷よりも大きいとき、油圧アクチュエータからの作動油圧の流れがメータ-アウトバルブを作動させることにより制御されるメータ-アウトモードで油圧システムを操作するステップと、
    を含むことを特徴とする油圧システムを制御する方法。
  9. メータ-インモードとメータ-アウトモードとの両方で、メータ-アウトバルブに配置されたセンサから送信される信号の少なくとも一部に基づき油圧システムを通過する作動油の流量を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載された方法。
  10. センサは、少なくとも１つの流量センサ、バルブコントローラ位置センサ、バルブアクチュエータ電流センサ、および作動油圧センサを含むことを特徴とする請求項９に記載された方法。
  11. メータ-インバルブとメータ-アウトバルブとは、各々、可変オリフィスバルブを含むことを特徴とする請求項８に記載された方法。
  12. ユーザインタフェースから制御信号を受信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載された方法。
  13. 油圧アクチュエータは、第１方向と第２方向との両方へ操作可能であることを特徴とする請求項８に記載された方法。
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