JP2016169570A - ショベル - Google Patents

Abstract

【課題】利用できる旋回トルクの大きさの範囲を拡大可能なショベルを提供すること。
【解決手段】本発明の実施例に係るショベルは、旋回用油圧モータ２１と、旋回用油圧モータ２１に作動油を供給する油圧ポンプ１４Ｌと、旋回用油圧モータ２１と油圧ポンプ１４Ｌとを接続する管路７０Ｌ、７０Ｒに配置される旋回リリーフ弁７１Ｌ、７１Ｒと、旋回用油圧モータ２１の旋回トルクを制御するコントローラ３０とを備える。コントローラ３０は、油圧ポンプ１４Ｌの押し退け容積を増減させて旋回油圧回路内圧を旋回リリーフ弁７１Ｌ、７１Ｒのクラッキング圧Ｐｃ未満の所定圧に調整することで旋回用油圧モータ２１の旋回トルクを制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ショベルに関する。

従来、旋回用油圧モータの旋回リリーフ弁として二段リリーフ弁を用いて旋回トルクを調整するショベルが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このショベルは、旋回用油圧モータのモータ容量を大きくしたときに旋回リリーフ圧を降圧側に設定し、或いは、旋回用油圧モータのモータ容量を小さくしたときに旋回リリーフ圧を昇圧側に設定した上で二段リリーフ弁から作動油を排出させながら旋回用油圧モータを回転させる。そして、低速旋回を行う場合と高速旋回を行う場合の双方で旋回トルクを同程度にする。

特開平６−１７４４７号公報

しかしながら、上述のショベルは二段リリーフ弁の旋回リリーフ圧未満の圧力の作動油で旋回用油圧モータを制御することはない。そのため、利用できる旋回トルクの大きさが狭い範囲に限定されてしまう。

上述の鑑み、利用できる旋回トルクの大きさの範囲を拡大可能なショベルを提供することが望ましい。

本発明の実施例に係るショベルは、旋回用油圧モータと、前記旋回用油圧モータに作動油を供給する可変容量式の油圧ポンプと、前記旋回用油圧モータと前記油圧ポンプとを接続する管路に配置される旋回リリーフ弁と、前記旋回用油圧モータの旋回トルクを制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記油圧ポンプの押し退け容積を増減させて旋回油圧回路内圧を前記旋回リリーフ弁のクラッキング圧未満の所定圧に調整することで前記旋回用油圧モータの旋回トルクを制御する。

上述の手段により、利用できる旋回トルクの大きさの範囲を拡大可能なショベルを提供することができる。

本発明の実施例に係るショベルの構成例を示す図である。 図１のショベルに搭載される油圧システムの構成例を示す回路図である。 ポンプ流量とネガコン圧との関係を示すネガコン制御線図である。 ポンプ流量とポンプ吐出圧との関係を示す馬力制御線図（ＰＱ線図）である。 旋回油圧回路の構成例を示す概略図である。 旋回油圧回路内圧と旋回リリーフ流量との関係を示す図である。 制御システムの構成例を示す図である。 旋回レバー操作量及び旋回油圧回路内圧の時間的推移を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について説明する。図１は本発明の実施例に係る建設機械としてのショベルの構成例を示す図である。図１のショベルはクローラ式の下部走行体１の上に旋回機構２を備える。また、旋回機構２は上部旋回体３をＸ軸周りに旋回自在に搭載する。

また、上部旋回体３は前方中央部にアタッチメントの一例である掘削アタッチメントを備える。掘削アタッチメントは、ブーム４、アーム５、及びバケット６を含み、且つ、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９を含む。

姿勢検出装置Ｍ１は、ブーム角度センサ、アーム角度センサ、バケット角度センサ、及び車体傾斜センサを含む。ブーム角度センサは、ブーム角度を取得するセンサであり、例えば、ブームフートピンの回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ７のストローク量を検出するストロークセンサ、ブーム４の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。アーム角度センサは、アーム角度を取得するセンサであり、例えば、アーム連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、アームシリンダ８のストローク量を検出するストロークセンサ、アーム５の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。バケット角度センサは、バケット角度を取得するセンサであり、例えば、バケット連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、バケットシリンダ９のストローク量を検出するストロークセンサ、バケット６の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。車体傾斜センサは、機体傾斜角度を取得するセンサであり、例えば２軸傾斜（加速度）センサ等を含む。

図２は、図１のショベルに搭載される油圧システム１００の構成例を示す回路図である。油圧システム１００は、エンジン、電動モータ等の駆動源（図示せず。）によって駆動される油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒを有する。以下では、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒを集合的に「油圧ポンプ１４」と称する場合がある。左右一対で構成される他の構成要素についても同様である。油圧ポンプ１４は、１回転当たりの押し退け容積（ｃｃ／ｒｅｖ）を可変とする可変容量式の油圧ポンプである。また、油圧ポンプ１４Ｌは、制御弁１７１、１７３、１７５、及び１７７を連通するセンターバイパス管路５０Ｌを経て作動油タンク２２まで作動油を循環させる。同様に、油圧ポンプ１４Ｒは、制御弁１７０、１７２、１７４、１７６、及び１７８を連通するセンターバイパス管路５０Ｒを経て作動油タンク２２まで作動油を循環させる。

制御弁１７０は、走行直進弁としてのスプール弁である。本実施例では、制御弁１７０は、油圧ポンプ１４Ｌが吐出する作動油で走行用油圧モータ４２Ｌ、４２Ｒの双方を作動させるモードと、油圧ポンプ１４Ｌが吐出する作動油で走行用油圧モータ４２Ｌを作動させ、且つ、油圧ポンプ１４Ｒが吐出する作動油で走行用油圧モータ４２Ｒを作動させるモードとを切り替える。

制御弁１７１は、油圧ポンプ１４Ｌが吐出する作動油を油圧アクチュエータとしての走行用油圧モータ４２Ｌに供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。

制御弁１７２は、油圧ポンプ１４Ｒが吐出する作動油を走行用油圧モータ４２Ｒに供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。

制御弁１７３は、油圧ポンプ１４Ｌが吐出する作動油を油圧アクチュエータとしての旋回用油圧モータ２１に供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。

制御弁１７４は、油圧ポンプ１４Ｒが吐出する作動油を油圧アクチュエータとしてのバケットシリンダ９へ供給し、また、バケットシリンダ９内の作動油を作動油タンク２２へ排出するためのスプール弁である。

制御弁１７５、１７６はそれぞれ、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油を油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７へ供給し、また、ブームシリンダ７内の作動油を作動油タンク２２へ排出するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。具体的には、制御弁１７６は、操作装置としてのブーム操作レバーが操作された場合に、油圧ポンプ１４Ｒからの作動油がブームシリンダ７に供給されるようにする。また、制御弁１７５は、ブーム操作レバーが所定のレバー操作量以上で操作された場合に、油圧ポンプ１４Ｌからの作動油が追加的にブームシリンダ７に供給されるようにする。

制御弁１７７、１７８はそれぞれ、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油を油圧アクチュエータとしてのアームシリンダ８へ供給し、また、アームシリンダ８内の作動油を作動油タンク２２へ排出するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。具体的には、制御弁１７７は、操作装置としてのアーム操作レバーが操作された場合に、油圧ポンプ１４Ｌからの作動油がアームシリンダ８に供給されるようにする。また、制御弁１７８は、アーム操作レバーが所定のレバー操作量以上で操作された場合に、油圧ポンプ１４Ｒからの作動油が追加的にアームシリンダ８に供給されるようにする。

センターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒは、それぞれ、最も下流にある制御弁１７７、１７８と作動油タンク２２との間にネガティブコントロール絞り２０Ｌ、２０Ｒを備える。以下では、ネガティブコントロールを「ネガコン」と略称する。ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒは、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れを制限することにより、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流でネガコン圧を発生させる。

リリーフ弁１９Ｌ、１９Ｒは、ネガコン圧を所定のリリーフ圧以下に制限する弁である。本実施例では、リリーフ弁１９Ｌ、１９Ｒのそれぞれは、センターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒにおいてネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒに並列に接続される。

圧力センサＳ１、Ｓ２は、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生したネガコン圧を検出し、検出した値を電気的なネガコン圧信号としてコントローラ３０に対して出力する。圧力センサＳ３、Ｓ４は、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出圧を検出し、検出した値を電気的な吐出圧信号としてコントローラ３０に対して出力する。

コントローラ３０は、油圧システム１００を制御する機能要素であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＮＶＲＡＭ（Non Volatile ＲＡＭ）等を備えたコンピュータである。

本実施例では、コントローラ３０は、パイロット圧センサの出力に基づいて各種操作装置の操作内容を電気的に検出する。パイロット圧センサは、操作内容検出部の一例であり、アーム操作レバー、ブーム操作レバー等の各種操作装置を操作した場合に発生するパイロット圧を測定する。また、各種操作装置の操作内容は、例えば、レバー操作の有無、レバー操作方向、レバー操作量等である。なお、操作内容検出部は、各種操作レバーの傾きを検出する傾きセンサ等、パイロット圧センサ以外のセンサを用いて構成されてもよい。

また、コントローラ３０は、各種操作装置の操作内容に応じて電磁弁５５Ｌ、５５Ｒ等を動作させる各種機能要素に対応するプログラムをＣＰＵに実行させる。

電磁弁５５Ｌ、５５Ｒは、コントローラ３０が出力する指令に応じて動作する弁である。本実施例では、電磁弁５５Ｌ、５５Ｒは、コントローラ３０が出力する電流指令に応じてコントロールポンプ１５から吐出量制御部６１Ｌ、６１Ｒの受圧室６１２Ｌ、６１２Ｒに導入される制御圧を調整する電磁減圧弁である。

ポンプレギュレータ４０Ｌは、油圧ポンプ１４Ｌの吐出量を制御する駆動機構であり、主に、傾転アクチュエータ４１Ｌ、スプール弁機構６０Ｌ、吐出量制御部６１Ｌ、及び、フィードバックレバー６２Ｌを含む。

傾転アクチュエータ４１Ｌは、油圧ポンプ１４Ｌの押し退け容積（ポンプ容量）を変化させるための斜板（ヨーク）を傾転駆動する機能要素である。具体的には、傾転アクチュエータ４１Ｌは、一端に大径受圧部ＰＲ１を有すると共に他端に小径受圧部ＰＲ２を有する作動ピストン４１０Ｌと、大径受圧部ＰＲ１に対応する受圧室４１１Ｌと、小径受圧部ＰＲ２に対応する受圧室４１２Ｌとを含む。受圧室４１１Ｌにはスプール弁６００Ｌを介して油圧ポンプ１４Ｌの吐出圧が導入され、或いは、受圧室４１１Ｌからスプール弁６００Ｌを介して作動油が排出される。また、受圧室４１２Ｌには油圧ポンプ１４Ｌの吐出圧が導入される。作動ピストン４１０Ｌは、受圧室４１１Ｌに作動油が導入されて受圧室４１２Ｌ側に変位すると油圧ポンプ１４Ｌの斜板（ヨーク）を小流量側に傾転駆動する。また、作動ピストン４１０Ｌは、受圧室４１１Ｌから作動油が排出されて受圧室４１１Ｌ側に変位すると油圧ポンプ１４Ｌの斜板（ヨーク）を大流量側に傾転駆動する。

スプール弁機構６０Ｌは、傾転アクチュエータ４１Ｌに作動油の給排を行うための機能要素であり、スプール弁６００Ｌ及びばね６０１Ｌを含む。スプール弁６００Ｌは、油圧ポンプ１４Ｌの吐出圧が導入される第一ポート、作動油タンク２２に連通する第二ポート、及び受圧室４１１Ｌに連通する出力ポートを有する。また、スプール弁６００Ｌは、第一ポートと出力ポートとを連通する第一位置、第二ポートと出力ポートとを連通する第二位置、又は第一ポート及び第二ポートの何れをも出力ポートに連通しない中立位置に選択的に切り替えられる。ばね６０１Ｌは、スプール弁６００Ｌを第二位置に変位させる方向に作用する力を付与する。

吐出量制御部６１Ｌは、スプール弁６００Ｌを変位させるための機能要素である。具体的には、吐出量制御部６１Ｌは、サーボピストン６１０Ｌ、ばね６１１Ｌ、及び受圧室６１２Ｌを含む。サーボピストン６１０Ｌは、電磁弁５５Ｌが生成する制御圧に応じて、スプール弁６００Ｌを第一位置に変位させる方向に移動する。ばね６１１Ｌは、電磁弁５５Ｌが生成する制御圧に抗して、サーボピストン６１０Ｌを復帰させる方向に作用する力を付与する。受圧室６１２Ｌは、サーボピストン６１０Ｌに設けられた受圧部ＰＲ３に対応し、コントロールポンプ１５から電磁弁５５Ｌを通じて作動油が導入される。

フィードバックレバー６２Ｌは、傾転アクチュエータ４１Ｌの変位をスプール弁６００Ｌにフィードバックするためのリンク機構である。具体的には、フィードバックレバー６２Ｌは、作動ピストン４１０Ｌが移動したときにその移動量を物理的にスプール弁６００Ｌにフィードバックしてスプール弁６００Ｌを中立位置に復帰させるようにする。

なお、上述の説明は、ポンプレギュレータ４０Ｌに関するものであるが、ポンプレギュレータ４０Ｒに対しても同様に適用される。

以上の構成により、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、吐出量制御部６１Ｌ、６１Ｒに導入される制御圧が大きいほど油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を低減させる。また、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、吐出量制御部６１Ｌ、６１Ｒに導入される制御圧が小さいほど油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を増大させる。

なお、図２は、ショベルにおける油圧アクチュエータが何れも利用されていない状態を示す。以下、この状態を「待機モード」と称する。待機モードでは、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油は、センターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒを通ってネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒに至り、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生するネガコン圧を増大させる。

その結果、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、ネガコン圧信号に基づいてコントローラ３０が生成する指令に応じてスプール弁６００Ｌ、６００Ｒを第一位置に変位させる。スプール弁６００Ｌ、６００Ｒは、傾転アクチュエータ４１Ｌ、４１Ｒを駆動して、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を低減させる。その結果、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油がセンターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒを通過する際の圧力損失（ポンピングロス）が抑制される。

一方、ショベルにおける何れかの油圧アクチュエータが操作された場合、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油は、その油圧アクチュエータに対応する制御弁を介してその油圧アクチュエータに流れ込む。そのため、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒに至る量は減少或いは消滅し、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生するネガコン圧は低下する。

その結果、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を増大させ、各油圧アクチュエータに十分な作動油を循環させ、各アクチュエータの駆動を確かなものとする。

図３は、油圧ポンプ１４の吐出量（以下、「ポンプ流量」とする。）とネガコン圧との関係を示すネガコン制御線図であり、縦軸にポンプ流量を配し、横軸にネガコン圧を配する。上述の通り、実線で表されるポンプ制御線は、ネガコン圧が減少するにつれてポンプ流量が増大する傾向を示す。なお、図３は、待機モードにおけるネガコン圧とポンプ流量との関係の図示を省略するが、実際には、待機モードにおいてネガコン圧が所定圧を下回る場合、ポンプ流量は最小流量に制限される。

以下では、上述のようなネガコン圧に基づくポンプ流量の制御を「ネガコン制御」と称する。ネガコン制御により、油圧システム１００は、待機モードにおいては、無駄なエネルギ消費を抑制できる。油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出する作動油がセンターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒで発生させるポンピングロスを抑制できるためである。また、油圧システム１００は、各種油圧アクチュエータを作動させる場合には、油圧ポンプ１４Ｌ、１４Ｒから必要十分な作動油を各種油圧アクチュエータに供給できる。

また、油圧システム１００は、ネガコン制御と並行して馬力制御を実行する。馬力制御は、油圧ポンプ１４の吸収馬力がエンジンの出力馬力を超えないよう、油圧ポンプ１４の吐出圧（以下、「ポンプ吐出圧」とする。）の上昇に応じてポンプ流量を低減させる制御である。

図４は、ポンプ流量とポンプ吐出圧との関係を示す馬力制御線図（ＰＱ線図）であり、縦軸にポンプ流量を配し、横軸にポンプ吐出圧を配する。実線で表される馬力制御線は、ポンプ吐出圧が減少するにつれてポンプ流量が増大する傾向を示す。

次に、図５を参照しながら、図１のショベルに搭載される油圧システム１００の一部を構成する旋回油圧回路２００について説明する。なお、図５は、旋回油圧回路２００の構成例を示す概略図である。

図５に示すように、旋回油圧回路２００は、主に、旋回用油圧モータ２１、旋回リリーフ弁７１Ｌ、７１Ｒ、及びチェック弁７２Ｌ、７２Ｒを含む。

旋回用油圧モータ２１は、メカニカルブレーキ８０及び減速機８１を含む旋回機構を介して上部旋回体３を旋回させる。本実施例では、旋回用油圧モータ２１の出力トルクは、２段階のプラネタリギア機構で構成される減速機８１によって増幅される。また、旋回用油圧モータ２１の出力軸の回転は、複数枚のブレーキディスクと各ブレーキディスクを挟む複数枚のブレーキプレートとで構成されるメカニカルブレーキ８０によって制動される。

また、旋回用油圧モータ２１の第１ポート２１Ｌは、管路７０Ｌを介して、制御弁１７３の第１ポートＰ１に接続され、旋回用油圧モータ２１の第２ポート２１Ｒは、管路７０Ｒを介して、制御弁１７３の第２ポートＰ２に接続される。

旋回リリーフ弁７１Ｌ、７１Ｒは、管路７０Ｌ、７０Ｒ内の作動油の圧力（以下、「旋回油圧回路内圧」とする。）を所定の旋回リリーフ圧以下に制限する弁である。本実施例では、旋回リリーフ弁７１Ｌ、７１Ｒは、バネ等によって旋回リリーフ圧が固定的に設定される固定リリーフ弁であってもよい。

具体的には、旋回リリーフ弁７１Ｌは、管路７０Ｌの旋回油圧回路内圧がクラッキング圧に達した場合に部分的開状態となり、管路７０Ｌ内の作動油の、管路７３を介した作動油タンク２２への流出を開始させる。さらに、旋回リリーフ弁７１Ｌは、管路７０Ｌの旋回油圧回路内圧が旋回リリーフ圧に達した場合に全開状態となり、旋回油圧回路内圧が旋回リリーフ圧を過度に上回らないように管路７０Ｌ内の作動油を作動油タンク２２へ流出させる。同様に、旋回リリーフ弁７１Ｒは、管路７０Ｒの旋回油圧回路内圧がクラッキング圧に達した場合に部分的開状態となり、管路７０Ｒ内の作動油の、管路７３を介した作動油タンク２２への流出を開始させる。さらに、旋回リリーフ弁７１Ｒは、管路７０Ｒの旋回油圧回路内圧が旋回リリーフ圧に達した場合に全開状態となり、旋回油圧回路内圧が旋回リリーフ圧を過度に上回らないように管路７０Ｒ内の作動油を作動油タンク２２へ流出させる。

圧力センサＳ７Ｌ、Ｓ７Ｒは、旋回油圧回路内圧を検出し、検出した値を電気的な旋回油圧回路内圧信号としてコントローラ３０に対して出力する。具体的には、圧力センサＳ７Ｌは、旋回用油圧モータ２１の第１ポート２１Ｌに作動油を流入させて旋回用油圧モータ２１を駆動させる場合に管路７０Ｌ内の作動油の圧力を旋回油圧回路内圧として検出する。また、圧力センサＳ７Ｒは、旋回用油圧モータ２１の第２ポート２１Ｒに作動油を流入させて旋回用油圧モータ２１を駆動させる場合に管路７０Ｒ内の作動油の圧力を旋回油圧回路内圧として検出する。

傾転角センサＳ８は、油圧ポンプ１４Ｌの斜板傾転角を検出するセンサであり、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。また、旋回角速度センサＳ９は、上部旋回体３の旋回角速度を検出するセンサであり、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。

図６は、旋回油圧回路内圧と、旋回リリーフ弁７１を通過する作動油の流量（以下、「旋回リリーフ流量」とする。）との関係を示す図である。

図６に示すように、旋回リリーフ流量は、旋回油圧回路内圧がクラッキング圧Ｐｃ未満の場合にゼロである。また、旋回リリーフ流量は、旋回油圧回路内圧がクラッキング圧Ｐｃ以上で且つ旋回リリーフ圧Ｐｒ未満の場合には、旋回油圧回路内圧が増大するにつれて比較的緩やかに増加する。また、旋回リリーフ流量は、旋回油圧回路内圧が旋回リリーフ圧Ｐｒ以上の場合には、旋回油圧回路内圧が増大するにつれて比較的急激に増加する。

チェック弁７２Ｌ、７２Ｒは、管路７０Ｌ、７０Ｒ内の作動油の圧力が作動油タンク２２の作動油の圧力（以下、「タンク圧」とする。）を下回らないようにする弁である。

具体的には、チェック弁７２Ｌは、管路７０Ｌの作動油が作動油タンク２２へ流出するのを禁止しながら、管路７０Ｌの旋回油圧回路内圧がタンク圧未満となった場合に開状態となり、作動油タンク２２（管路７３）の作動油を管路７０Ｌ内に流入させる。同様に、チェック弁７２Ｒは、管路７０Ｒの作動油が作動油タンク２２へ流出するのを禁止しながら、管路７０Ｒの旋回油圧回路内圧がタンク圧未満となった場合に開状態となり、作動油タンク２２（管路７３）の作動油を管路７０Ｒ内に流入させる。

メインリリーフ弁８３は、油圧システム１００内の作動油の圧力を所定のメインリリーフ圧以下に制限する弁である。本実施例では、メインリリーフ弁８３は、バネ等によってメインリリーフ圧が固定的に設定される固定リリーフ弁である。なお、メインリリーフ圧は旋回リリーフ圧より高くなるように設定される。

本実施例では、旋回操作の有無等を含む旋回操作内容は、圧力センサＳ５、Ｓ６の出力に基づいて導き出される。なお、圧力センサＳ５、Ｓ６は、旋回操作レバー８２のレバー操作量（以下、「旋回レバー操作量」とする。）に対応するパイロット圧を検出するパイロット圧センサである。また、油圧ポンプ１４Ｌのポンプ吐出圧は、吐出圧センサとしての圧力センサＳ３の出力に基づいて導き出される。

例えば、旋回操作レバー８２が右旋回方向に操作され、圧力センサＳ６が検出するパイロット圧が上昇すると、制御弁１７３が左方向に移動させられる。このとき、制御弁１７３は、第１ポートＰ１を通じて、油圧ポンプ１４Ｌと旋回用油圧モータ２１の第１ポート２１Ｌとを連通させ、第２ポートＰ２を通じて、旋回用油圧モータ２１の第２ポート２１Ｒと作動油タンク２２とを連通させる。また、制御弁１７３は、センターバイパス管路５０Ｌを通ってネガコン絞り２０Ｌ（図２参照。）に至る作動油の流量を低減させ或いは消失させる。その結果ネガコン圧が低下し、油圧ポンプ１４Ｌは、図３のネガコン制御線図に示すように、そのポンプ流量を増大させる。

一方で、旋回用油圧モータ２１の駆動に消費される作動油の量（以下、「旋回消費流量」とする。）は、油圧ポンプ１４Ｌのポンプ流量より低いまま、緩やかに増加する。ショベルの上部旋回体３が大きな慣性モーメントを有するためである。このとき、油圧ポンプ１４Ｌが吐出する作動油の少なくとも一部は旋回リリーフ弁７１Ｌを介して作動油タンク２２に排出される。そのため、油圧ポンプ１４Ｌが生成する油圧エネルギの一部は利用されることがないまま無駄に捨てられてしまう。

そこで、コントローラ３０は、この無駄に捨てられてしまう油圧エネルギを最小限に抑えながら旋回トルクを制御するために、旋回操作が行われた場合に旋回油圧回路内圧を旋回リリーフ弁７１のクラッキング圧未満の所定圧に調整する処理（以下、「旋回油圧回路内圧調整処理」とする。）を実行する。本実施例では、コントローラ３０は油圧ポンプ１４Ｌの押し退け容積を増減させることで旋回油圧回路内圧をクラッキング圧未満の所定圧に調整して旋回トルクを制御する。

ここで図７を参照して旋回油圧回路内圧調整処理を実行する際に採用される制御システムの構成例について説明する。なお、図７は、制御システムの構成例を示す機能ブロック図である。

具体的には、図７の制御システムは、コントローラ３０、姿勢検出部Ｅ３０、押し退け容積検出部Ｅ３１、旋回油圧回路内圧検出部Ｅ３２、及び旋回角速度検出部Ｅ３３を含む。また、コントローラ３０は、モデル予測制御部３４及び馬力制御部３５を含む。

姿勢検出部Ｅ３０は、アタッチメントの姿勢を検出する機能要素である。本実施例では、姿勢検出部Ｅ３０は掘削アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置Ｍ１である。姿勢検出装置Ｍ１は、検出したブーム角度、アーム角度、バケット角度、及び機体傾斜角度に基づいてエンドアタッチメントとしてのバケット６の位置（バケット位置）Ｂｐを取得し、その値を電気的なエンドアタッチメント位置信号としてモデル予測制御部３４に対して出力する。

押し退け容積検出部Ｅ３１は、油圧ポンプ１４Ｌの押し退け容積Ｖｄを検出する機能要素である。本実施例では、押し退け容積検出部Ｅ３１は油圧ポンプ１４Ｌの斜板傾転角を検出する傾転角センサＳ８である。傾転角センサＳ８は、検出した斜板傾転角に基づいて押し退け容積を取得し、その値を電気的な押し退け容積信号としてモデル予測制御部３４に対して出力する。なお、押し退け容積検出部Ｅ３１は、前回の押し退け容積指令値Ｖｔから押し退け容積を算出し、その値を電気的な押し退け容積信号としてモデル予測制御部３４に対して出力してもよい。

旋回油圧回路内圧検出部Ｅ３２は旋回油圧回路内圧を検出する機能要素である。本実施例では、旋回油圧回路内圧検出部Ｅ３２は旋回油圧回路内圧Ｐｍを検出する圧力センサＳ７Ｌ、Ｓ７Ｒであり、検出した値をモデル予測制御部３４に対して出力する。

旋回油圧回路内圧Ｐｍは管路７０Ｌ、７０Ｒ内の作動油の圧力である。本実施例では、コントローラ３０は、左旋回操作が行われた場合に圧力センサＳ７Ｒの出力を旋回油圧回路内圧Ｐｍとして取得し、右旋回操作が行われた場合に圧力センサＳ７Ｌの出力を旋回油圧回路内圧Ｐｍとして取得する。

旋回角速度検出部Ｅ３３は旋回角速度を検出する機能要素である。本実施例では、旋回角速度検出部Ｅ３３は上部旋回体３の旋回角速度ωを検出する旋回角速度センサＳ９である。旋回角速度センサＳ９は、例えばロータリエンコーダ等であり、検出した値を電気的な旋回角速度信号としてモデル予測制御部３４に対して出力する。

モデル予測制御部３４は、油圧ポンプ１４Ｌ及び旋回用油圧モータ２１を含む旋回油圧回路の挙動を予測するモデルを用いてリアルタイムで最適制御理論に基づく制御（モデル予測制御）を行う機能要素である。旋回油圧回路のモデル予測制御は、旋回油圧回路のプラントモデルを用いた制御である。また、旋回油圧回路のプラントモデルは、旋回油圧回路に対する入力から旋回油圧回路の出力を導き出せるようにするモデルである。本実施例では、モデル予測制御部３４は、旋回角速度ωと、旋回油圧回路内圧Ｐｍと、油圧ポンプ１４Ｌの押し退け容積Ｖｄと、目標旋回油圧回路内圧Ｐｔと、前回の押し退け容積指令値Ｖｔとから、有限時間内の未来における旋回油圧回路内圧の予測値を導き出すことができる。

目標旋回油圧回路内圧Ｐｔはクラッキング圧Ｐｃ未満の圧力値であり、ＮＶＲＡＭ等に予め記憶される。本実施例では目標旋回油圧回路内圧Ｐｔは旋回レバー操作量に対応付けて記憶される。具体的には、目標旋回油圧回路内圧Ｐｔは旋回レバー操作量が大きいほど大きい値となるように設定される。コントローラ３０は、旋回操作レバー８２が操作された場合に旋回レバー操作量に応じた目標旋回油圧回路内圧ＰｔをＮＶＲＡＭから読み出す。また、コントローラ３０は、姿勢検出部Ｅ３０からのバケット位置Ｂｐに応じて目標旋回油圧回路内圧Ｐｔを調整してもよい。

具体的には、モデル予測制御部３４は、旋回油圧回路の状態を表す以下の行列方程式を用いて旋回油圧回路内圧の予測値を導き出す。なお、Ａ、Ｂは、旋回油圧回路の構造的特徴を表す係数行列である。

具体的には、モデル予測制御部３４は、現時点における旋回角速度ω、旋回油圧回路内圧Ｐｍ、及び押し退け容積Ｖｄと前回の押し退け容積指令値Ｖｔとに基づいて旋回角速度ω、旋回油圧回路内圧Ｐｍ、及び押し退け容積Ｖｄのそれぞれの微分値を導き出す。そして、現時点における旋回角速度ωにその微分値を加算して算出対象である所定時間後の旋回角速度の予測値ω'を導き出す。旋回油圧回路内圧Ｐｍ及び押し退け容積Ｖｄについても同様にして所定時間後の旋回油圧回路内圧の予測値Ｐｍ'及び所定時間後の押し退け容積の予測値Ｖｄ'を導き出す。

同様にして、モデル予測制御部３４は、前回の押し退け容積指令値Ｖｔを基準として設定される複数の押し退け容積指令値のそれぞれを継続的に使用した場合の所定時間後の旋回角速度、旋回油圧回路内圧、及び押し退け容積の予測値を上述の方法で導き出す。

その上で、モデル予測制御部３４は、目標旋回油圧回路内圧Ｐｔと算出対象である所定時間後の旋回油圧回路内圧の予測値との差を最小とする押し退け容積指令値Ｖｔｃを選択する。具体的には、前回の押し退け容積指令値Ｖｔを含む複数の押し退け容積指令値のうちの１つを今回採用すべき押し退け容積指令値Ｖｔｃとして選択する。

そして、モデル予測制御部３４は、選択した押し退け容積指令値Ｖｔｃを馬力制御部３５に対して出力する。

馬力制御部３５は、モデル予測制御部３４が選択した押し退け容積指令値Ｖｔｃを用いて油圧ポンプ１４Ｌの押し退け容積を制御する。

次に、図８を参照して旋回操作レバー８２が操作されたときの旋回油圧回路内圧Ｐｍの時間的推移について説明する。なお、図８は旋回油圧回路内圧及び旋回レバー操作量の時間的推移を示す図である。また、図８の破線はフィードバック制御システムが採用された場合の時間的推移を示し、図８の実線は図７の制御システムが採用された場合の時間的推移を示す。なお、比較対象としてのフィードバック制御システムは、目標旋回油圧回路内圧Ｐｔと現在の旋回油圧回路内圧Ｐｍとの偏差をゼロに近づけるように押し退け容積指令値Ｖｔを生成し、その押し退け容積指令値Ｖｔに応じて油圧ポンプ１４Ｌの押し退け容積Ｖｄを制御するシステムである。

フィードバック制御システムが採用された場合、時刻ｔ１において旋回操作レバー８２のフルレバー操作が行われると、旋回油圧回路内圧Ｐｍは増大し始める。油圧ポンプ１４Ｌが吐出する作動油が旋回油圧回路内に流入するためである。なお、フルレバー操作は、例えば、旋回操作レバー８２の中立状態を操作量０％とし、最大操作状態を操作量１００％とした場合の８０％以上の操作量で操作された状態をいう。

具体的には、旋回油圧回路内圧Ｐｍは、目標旋回油圧回路内圧Ｐｔを超えて増加した後で時刻ｔ２において減少に転じ、その後、目標旋回油圧回路内圧Ｐｔを下回るまで減少した後で時刻ｔ３において再び増加に転じる。その後、旋回油圧回路内圧Ｐｍは、フルレバー操作が継続される間、目標旋回油圧回路内圧Ｐｔを挟んで増減を繰り返しながら目標旋回油圧回路内圧Ｐｔを中央値とする所定の圧力範囲内で推移する。

このように、コントローラ３０は、押し退け容積指令値を増減させ、旋回リリーフ弁７１のクラッキング圧Ｐｃ未満の目標旋回油圧回路内圧Ｐｔとなるように旋回油圧回路内圧Ｐｍをフィードバック制御で制御する。そのため、旋回油圧回路内圧Ｐｍと旋回消費流量との積で表される旋回トルクの大きさの利用可能範囲を拡大できる。具体的には、クラッキング圧Ｐｃ以上の圧力を有する作動油を用いた場合に得られる旋回トルクよりも小さい旋回トルクを利用できるようになる。

図７の制御システムが採用された場合、時刻ｔ１において旋回操作レバー８２のフルレバー操作が行われると、フィードバック制御システムが採用された場合と同様、旋回油圧回路内圧Ｐｍは増大し始める。油圧ポンプ１４Ｌが吐出する作動油が旋回油圧回路内に流入するためである。

しかし、図７の制御システムが採用された場合には、フィードバック制御システムが採用された場合と異なり、旋回油圧回路内圧Ｐｍは目標旋回油圧回路内圧Ｐｔを大きく超えることなく時刻ｔ１０において目標旋回油圧回路内圧Ｐｔに達する。そして、目標旋回油圧回路内圧Ｐｔに達した後は目標旋回油圧回路内圧Ｐｔを維持したまま推移する。モデル予測制御により旋回油圧回路内圧Ｐｍが目標旋回油圧回路内圧Ｐｔを超える前に押し退け容積指令値が変更されて旋回油圧回路内圧Ｐｍの増大が予防的に抑制されるためである。また、旋回油圧回路内圧Ｐｍが目標旋回油圧回路内圧Ｐｔに達した後は、モデル予測制御により旋回油圧回路内圧Ｐｍが目標旋回油圧回路内圧Ｐｔから逸脱する前に押し退け容積指令値が変更されて旋回油圧回路内圧Ｐｍの逸脱が予防的に抑制されるためである。

このように、コントローラ３０は、押し退け容積指令値を増減させ、旋回リリーフ弁７１のクラッキング圧Ｐｃ未満の目標旋回油圧回路内圧Ｐｔとなるように旋回油圧回路内圧Ｐｍをモデル予測制御で制御する。そのため、旋回油圧回路内圧Ｐｍと旋回消費流量との積で表される旋回トルクの大きさの利用可能範囲を拡大できる。具体的には、クラッキング圧Ｐｃ以上の圧力を有する作動油を用いた場合に得られる旋回トルクよりも小さい旋回トルクを利用できるようになる。

また、図７の制御システムは、フィードバック制御システムに比べ、負荷変動に対する油圧ポンプ１４Ｌの応答遅れの影響を小さくできる。そのため、旋回油圧回路内圧Ｐｍをより安定的に目標旋回油圧回路内圧Ｐｔで維持することで旋回トルクをより安定的に制御できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施例において、コントローラ３０又はモデル予測制御部３４は、圧力センサＳ７Ｌ、Ｓ７Ｒの出力を旋回油圧回路内圧Ｐｍとして採用するが、圧力センサＳ３の出力である油圧ポンプ１４Ｌのポンプ吐出圧を旋回油圧回路内圧Ｐｍとして採用してもよい。

また、上述の実施例において、モデル予測制御部３４はコントローラ３０に統合されたものとして説明されたがコントローラ３０とは別体であってもよい。

１・・・下部走行体 ２・・・旋回機構 ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １４Ｌ、１４Ｒ・・・油圧ポンプ １５・・・コントロールポンプ １９Ｌ、１９Ｒ・・・リリーフ弁 ２０Ｌ、２０Ｒ・・・ネガコン絞り ２１・・・旋回用油圧モータ ２１Ｌ・・・第１ポート ２１Ｒ・・・第２ポート ２２・・・作動油タンク ３０・・・コントローラ ３４・・・モデル予測制御部 ３５・・・馬力制御部 ４０Ｌ、４０Ｒ・・・ポンプレギュレータ ４１Ｌ、４１Ｒ・・・傾転アクチュエータ ４２Ｌ、４２Ｒ・・・走行用油圧モータ ５０Ｌ、５０Ｒ・・・センターバイパス管路 ５５Ｌ、５５Ｒ・・・電磁弁 ６０Ｌ、６０Ｒ・・・スプール弁機構 ６１Ｌ、６１Ｒ・・・吐出量制御部 ７０Ｌ、７０Ｒ、７３・・・管路 ７１Ｌ、７１Ｒ・・・旋回リリーフ弁 ７２Ｌ、７２Ｒ・・・チェック弁 ８０・・・メカニカルブレーキ ８１・・・減速機 ８２・・・旋回操作レバー ８３・・・メインリリーフ弁 １００・・・油圧システム １７０〜１７８・・・制御弁 ２００・・・旋回油圧回路 Ｅ３０・・・姿勢検出部 Ｅ３１・・・押し退け容積検出部 Ｅ３２・・・旋回油圧回路内圧検出部 Ｅ３３・・・旋回角速度検出部 Ｐ１・・・第１ポート Ｐ２・・・第２ポート Ｓ１〜Ｓ６、Ｓ７Ｌ、Ｓ７Ｒ・・・圧力センサ

Claims (5)

1. 旋回用油圧モータと、
   前記旋回用油圧モータに作動油を供給する可変容量式の油圧ポンプと、
   前記旋回用油圧モータと前記油圧ポンプとを接続する管路に配置される旋回リリーフ弁と、
   前記旋回用油圧モータの旋回トルクを制御するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記油圧ポンプの押し退け容積を増減させて旋回油圧回路内圧を前記旋回リリーフ弁のクラッキング圧未満の所定圧に調整することで前記旋回用油圧モータの旋回トルクを制御する、
   ショベル。
2. 旋回油圧回路内圧を検出する旋回油圧回路内圧検出部を備え、
   前記コントローラは、前記旋回油圧回路内圧検出部が検出する旋回油圧回路内圧に応じて前記油圧ポンプの押し退け容積を増減させる、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記旋回リリーフ弁のリリーフ圧は固定である、
   請求項１又は２に記載のショベル。
4. 前記コントローラは、目標旋回油圧回路内圧と現在の旋回油圧回路内圧との偏差に基づいて生成される押し退け容積指令値に応じて前記油圧ポンプの押し退け容積をフィードバック制御する、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載のショベル。
5. 複数の押し退け容積指令値を用いた場合の所定時間後の旋回油圧回路内圧を予測するモデル予測制御部を備え、
   前記モデル予測制御部は、現在の旋回油圧回路内圧と所定時間後の旋回油圧回路内圧との差が最小となる押し退け容積指令値を前記複数の押し退け容積指令値から選択し、
   前記コントローラは、前記モデル予測制御部が選択した押し退け容積指令値を用いて前記油圧ポンプの押し退け容積をモデル予測制御で制御する、
   請求項１乃至４の何れか一項に記載のショベル。

Images