JP2016169815A - 建設機械の油圧駆動システム - Google Patents

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Abstract

【課題】操作装置が操作されたときにポンプから吐出された作動油を制御弁を経由せずにタンクに逃すことができ、かつ、フェール時でもアクチュエータをスムーズに作動させることができる建設機械の油圧システムを提供する。
【解決手段】建設機械の油圧駆動システムは、センターバイパス通路３ａの開口面積が操作信号の増大に伴って緩やかに減少するように構成された制御弁３と、操作信号を出力する操作装置４と、ブリードオフライン６と、電磁比例弁８の二次圧が導かれるパイロットポートを有し、操作信号が第１設定値を超えるまではバイパス通路が開かれ、操作信号が第１設定値を超えたときにバイパス通路が閉じられるように、かつ、操作信号が第２設定値を超えたときにアンロード通路が開かれ、操作信号が第２設定値を超えてから第３設定値に至るまでアンロード通路の開口面積が緩やかに減少するように構成されたブリードオフ弁７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、建設機械の油圧駆動システムに関する。
油圧ショベルや油圧クレーンのような建設機械では、油圧駆動システムによって各種の動作が実行される。例えば、特許文献１には、図５に示すような油圧駆動システム１００が開示されている。
この油圧駆動システム１００では、ポンプ１１０からタンクまで延びる循環ライン１２０上に、複数の制御弁１３０が配置されている。各制御弁１３０は、操作レバーを含むパイロット操作弁１４０（操作装置）と接続されており、操作レバーの操作量に応じてアクチュエータ１５０に対する作動油の供給および排出を制御する。また、油圧駆動システム１００では、パイロット操作弁１４０が操作されたときに、ポンプ１１０から吐出された作動油を制御弁１３０を経由せずにタンクに逃す構成が採用されている。
具体的に、油圧駆動システム１００は、循環ライン１２０における制御弁１３０の上流側部分から分岐してタンクまで延びるブリードオフライン１６０を含む。ブリードオフライン１６０上には、パイロットポートを有するブリードオフ弁１７０が配置されており、ブリードオフ弁１７０のパイロットポートには、電磁比例弁１８０の二次圧が導かれる。
ブリードオフ弁１７０は、ブリードオフライン１６０の一部を構成するアンロード通路を有している。ブリードオフ弁１７０は、図６に示すように、操作レバーの操作量が第１設定値θ１を超えたときにアンロード通路が開かれ、操作レバーの操作量が第１設定値θ１よりも大きくなるとアンロード通路の開口面積が緩やかに減少するように構成されている。
一方、各制御弁１３０は、循環ライン１２０の一部を構成するセンターバイパス通路を有している。制御弁１３０は、操作レバーの操作量が第１設定値θ１よりも少し大きな第２設定値θ２を超えるまではセンターバイパス通路が開かれ、操作レバーの操作量が第２設定値θ２を超えたときにセンターバイパス通路が急激に閉じられるように構成されている。このように制御弁３によって循環ライン１２０がブロックされることにより、ポンプ１１０から吐出された作動油をブリードオフライン１６０を通じてタンクに逃すことができる。
特開２００５−２６５０１６号公報
しかしながら、図５に示す油圧駆動システム１００では、電磁比例弁１８０の故障や電気系統の寸断等が発生した場合には（以下、「フェール時」という。）、ブリードオフ弁１７０によってブリードオフライン１６０がブロックされた状態が維持される。この場合、操作レバーが操作されたときには、操作レバーの操作量が第２設定値θ２を超えたときに制御弁１３０によって循環ライン１２０が突然ブロックされて、アクチュエータ１５０に供給される作動油が急激に増加する。これにより、アクチュエータ１５０にショックが発生する。
そこで、本発明は、操作装置が操作されたときにポンプから吐出された作動油を制御弁を経由せずにタンクに逃すことができ、かつ、フェール時でもアクチュエータをスムーズに作動させることができる建設機械の油圧システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の建設機械の油圧駆動システムは、ポンプからタンクまで延びる循環ラインと、前記循環ライン上に配置された、アクチュエータに対する作動油の供給および排出を制御する制御弁と、前記アクチュエータを作動させるための操作を受ける操作装置であって、前記操作の大きさに応じた操作信号を出力する操作装置と、前記循環ラインにおける前記制御弁の上流側部分から分岐してタンクまで延びるブリードオフラインと、前記操作信号と正の相関を示す二次圧を出力する電磁比例弁と、前記電磁比例弁の二次圧が導かれるパイロットポート、前記循環ラインの一部を構成するバイパス通路、および前記ブリードオフラインの一部を構成するアンロード通路を有するブリードオフ弁であって、前記操作信号が第１設定値を超えるまでは前記バイパス通路が開かれ、前記操作信号が前記第１設定値を超えたときに前記バイパス通路が閉じられるように、かつ、前記操作信号が前記第１設定値以下の第２設定値を超えたときに前記アンロード通路が開かれ、前記操作信号が前記第２設定値を超えてから第３設定値に至るまで前記アンロード通路の開口面積が緩やかに減少するように構成されたブリードオフ弁と、を備え、前記制御弁は、前記循環ラインの一部を構成するセンターバイパス通路の開口面積が前記操作信号の増大に伴って緩やかに減少するように構成されている、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、操作装置が操作されたときには、ブリードオフ弁によって循環ラインがブロックされるともにブリードオフラインが開放される。従って、ポンプから吐出された作動油を制御弁を経由せずにタンクに逃すことができる。一方、フェール時には、ブリードオフ弁がブリードオフラインをブロックした状態が維持されるものの、ブリードオフ弁のバイパス通路は開かれ、かつ、制御弁のセンターバイパス通路の開口面積は操作装置から出力される操作信号の増大に伴って緩やかに減少する。従って、フェール時でもアクチュエータをスムーズに作動させることができる。
前記ブリードオフ弁は、単一の弁であってもよい。この構成によれば、ブリードオフ弁を２つの切換弁で構成する場合よりも簡単な構造となるので、コストを低減させることができる。
あるいは、前記ブリードオフ弁は、前記循環ライン上に配置された第１切換弁と、前記ブリードオフライン上に配置された第２切換弁を含んでもよい。
本発明によれば、操作装置が操作されたときにポンプから吐出された作動油を制御弁を経由せずにタンクに逃すことができ、かつ、フェール時でもアクチュエータをスムーズに作動させることができる。
本発明の一実施形態に係る油圧駆動システムの概略構成図である。 建設機械の一例である油圧ショベルの側面図である。 操作装置から出力される操作信号と３つの通路（制御弁のセンターバイパス通路、ブリードオフ弁のバイパス通路およびアンロード通路）の開口面積との関係を示すグラフである。 変形例の油圧駆動システムの概略構成図である。 従来の油圧駆動システムの概略構成図である。 従来の油圧駆動システムにおける、操作レバーの操作量と２つの通路（制御弁のセンターバイパス通路およびブリードオフ弁のアンロード通路）の開口面積との関係を示すグラフである。
図１に、本発明の一実施形態に係る建設機械の油圧駆動システム１を示し、図２に、その油圧駆動システム１が搭載された建設機械１０を示す。図２に示す建設機械１０は油圧ショベルであるが、本発明は、油圧クレーンなどの他の建設機械にも適用可能である。
油圧駆動システム１は、油圧アクチュエータとして、図２に示すブームシリンダ１１、アームシリンダ１２およびバケットシリンダ１３を含むとともに、図示しない旋回モータおよび左右一対の走行モータを含む。また、油圧駆動システム１は、それらのアクチュエータへ作動油を供給するためのメインポンプ１５と、メインポンプ１５を駆動するエンジン１４を含む。なお、図１では、図面の簡略化のために、ブームシリンダ１１およびアームシリンダ１２以外のアクチュエータを省略している。
メインポンプ１５からは、循環ライン２１がタンクまで延びている。循環ライン２１上には、ブーム制御弁３１およびアーム制御弁３２を含む複数の制御弁３（ブーム制御弁３１およびアーム制御弁３２以外は図示せず）が配置されている。循環ライン２１からはパラレルライン２２が分岐しており、このパラレルライン２２を通じて循環ライン２１上の全ての制御弁３へメインポンプ１５から吐出される作動油が導かれる。また、循環ライン２１上の制御弁３のそれぞれには、タンクライン２３が接続されている。
ブーム制御弁３１は、一対の給排ライン１１ａ，１１ｂによりブームシリンダ１１と接続されている。ブーム制御弁３１は、ブームシリンダ１１に対する作動油の供給および排出を制御する。同様に、アーム制御弁３２は、一対の給排ライン１２ａ，１２ｂによりアームシリンダ１２と接続されている。アーム制御弁３２は、アームシリンダ１２に対する作動油の供給および排出を制御する。図示しないその他の制御弁３も個々のアクチュエータに対する作動油の供給および排出を制御する。
さらに、油圧駆動システム１は、上述したアクチュエータを作動させるための操作を受ける複数の操作装置４を含む。各操作装置４は、受けた操作の大きさに応じた操作信号を出力する。本実施形態では、操作装置４として、操作レバーを有し、操作レバーの操作量（傾倒角）に応じた大きさのパイロット圧を出力するパイロット操作弁が用いられている。
例えば、操作装置４は、一対のパイロットライン５１，５２によりブーム制御弁３１のパイロットポートと接続されたブーム操作弁４１と、一対のパイロットライン５３，５４によりアーム制御弁３２のパイロットポートと接続されたアーム操作弁４２を含む。このように、各操作装置４は、一対のパイロットラインにより対応する制御弁３のパイロットポートと接続されている。
各操作装置４へは、補助ポンプ１７から供給ライン２４を通じて作動油が供給される。補助ポンプ１７は、エンジン１４により駆動される。
ただし、操作装置４は、操作レバーの操作量（傾倒角）を電気的な操作信号として出力する電気ジョイスティックであってもよい。この場合、各制御弁３の一対のパイロットポートは一対の電磁比例弁と接続され、これらの電磁比例弁が操作装置４から出力される操作信号に基づいて後述する制御装置９により制御される。
上述したメインポンプ１５は、傾転角が変更可能な可変容量型のポンプ（斜板ポンプまたは斜軸ポンプ）である。メインポンプ１５の傾転角は、レギュレータ１６により変更される。本実施形態では、メインポンプ１５の吐出流量が、各操作装置４から出力される操作信号に応じたポジティブコントロール方式で制御される。ただし、メインポンプ１５の吐出流量は、ロードセンシング方式で制御されてもよい。
具体的に、各パイロットラインには、操作装置４から出力されるパイロット圧（操作信号）を計測する圧力計が設けられている。図１には、そのうちの４つの圧力計９１〜９４を示す。レギュレータ１６および全ての圧力計は、制御装置９に接続されている。なお、図１では、図面の簡略化のために、一部の制御線のみを描いている。
レギュレータ１６は、上述した圧力計で計測されるパイロット圧に基づいて、制御装置９により制御される。例えば、レギュレータ１６は、メインポンプ１５の傾転角を調整する油圧機器と、この油圧機器に二次圧を出力する電磁比例弁とで構成される。制御装置９は、全ての操作装置４からパイロット圧が出力されていないときにはメインポンプ１５の傾転角が最小となり、いずれかの操作装置４からパイロット圧が出力されるとメインポンプ１５の傾転角がそのパイロット圧に応じて大きくなるようにレギュレータ１６を制御する。
さらに、本実施形態では、いずれかの操作装置４が操作されたときに、メインポンプ１５から吐出された作動油を制御弁３を経由せずにタンクに逃す構成が採用されている。具体的に、油圧駆動システム１は、循環ライン２１における制御弁３の上流側部分から分岐してタンクまで延びるブリードオフライン６を含む。本実施形態では、循環ライン２１上およびブリードオフライン６上に、単一のブリードオフ弁７が配置されている。
ブリードオフ弁７は、循環ライン２１の一部を構成するバイパス通路７ａと、ブリードオフライン６の一部を構成するアンロード通路７ｂを有している。ブリードオフ弁７は、バイパス通路７ａが開き、アンロード通路７ｂが閉じる第１位置（図１の左側位置）と、バイパス通路７ａが閉じ、アンロード通路７ｂが開く第２位置（図１の中央位置）と、バイパス通路７ａおよびアンロード通路７ｂが閉じる第３位置（図１の右側位置）との間で移動する。第１位置は、中立位置を兼ねる。また、ブリードオフ弁７は、当該ブリードオフ弁７を第１位置から第２位置を経て第３位置へ移動させるためのパイロットポート７ｃを有している。
パイロットポート７ｃは、パイロットライン２６により電磁比例弁８と接続されている。つまり、パイロットポート７ｃには、電磁比例弁８から出力される二次圧が導かれる。電磁比例弁８は、一次圧ライン２５により補助ポンプ１７と接続されている。
電磁比例弁８は、指令電流と比例する二次圧を出力する正比例型である。電磁比例弁８には、制御装置９から、各操作装置４から出力される操作信号と比例する指令電流が送給される。つまり、電磁比例弁８から出力される二次圧は、操作信号と正の相関を示す。
図３に示すように、ブリードオフ弁７は、操作信号が第１設定値αを超えるまではバイパス通路７ａが開かれ、操作信号が第１設定値αを超えたときにバイパス通路７ａが閉じられるように構成されている。さらに、ブリードオフ弁７は、操作信号が第１設定値α以下の第２設定値βを超えたときにアンロード通路７ｂが開かれ、操作信号が第２設定値βを超えてから第３設定値γに至るまでアンロード通路７ｂの開口面積が緩やかに減少するように構成されている。本実施形態では、アンロード通路７ｂの開口面積が、操作信号が第２設定値βの近傍領域内にあるときは最大に維持される。
なお、図３では、アンロード通路７ｂの最大開口面積がバイパス通路７ａの最大開口面積よりも大きくなっているが、アンロード通路７ｂの最大開口面積はバイパス通路７ａの最大開口面積よりも小さくてもよい。
本実施形態では、第２設定値βは、第１設定値αよりも小さい。このため、ブリードオフ弁７の正確な記号としては、第１位置と第２位置との間に、バイパス通路７ａとアンロード通路７ｂの双方が開く位置がある（図１では、図面の簡略化を優先してその位置を省略）。正確に表現すれば、ブリードオフ弁７は、操作信号が第２設定値βを超えるまでは第１位置に位置し、操作信号が第１設定値αを超えてから第３設定値γに至るまで第２位置に位置する。ただし、第２設定値βは、第１設定値αと等しくてもよい。操作信号が第３設定値γを超えてから最大となるまでは、ブリードオフ弁７は第３位置に位置する。
一方、上述した各制御弁３は、図１に示すように、循環ライン２１の一部を構成するセンターバイパス通路３ａを有している。制御弁３は、図３に示すように、センターバイパス通路３ａの開口面積が操作信号の増大に伴って緩やかに減少するように構成されている。
操作信号に対するセンターバイパス通路３ａの開口面積は、同一の操作信号に対するアンロード通路７ｂの開口面積とほぼ等しい。ここで、「ほぼ等しい」とは、センターバイパス通路３ａの開口面積がアンロード通路７ｂの開口面積の±１０％の範囲内にあることを意味する。本実施形態では、センターバイパス通路３ａの開口面積が、当該センターバイパス通路３ａの開口面積が減少するときにブリードオフ弁７のアンロード通路７ｂの開口面積よりも僅かに大きくなるように設定されている。さらに、本実施形態では、ブリードオフ弁７のアンロード通路７ｂの開口面積および制御弁３のセンターバイパス通路３ａの開口面積が直線状に減少するが、これらの開口面積は曲線状に減少してもよい。
以上説明したように、本実施形態の油圧駆動システム１では、各操作装置４が操作されたときには、ブリードオフ弁７によって循環ライン２１がブロックされるともにブリードオフライン６が開放される。従って、メインポンプ１５から吐出された作動油を制御弁３を経由せずにタンクに逃すことができる。一方、フェール時には、ブリードオフ弁７がブリードオフライン６をブロックした状態が維持されるものの、ブリードオフ弁７のバイパス通路７ａは開かれ、かつ、各制御弁３のセンターバイパス通路３ａの開口面積はこれに対応する操作装置４から出力される操作信号の増大に伴って緩やかに減少する。従って、フェール時でもアクチュエータ（ブームシリンダ１１やアームシリンダ１２など）をスムーズに作動させることができる。
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、図４に示すように、ブリードオフ弁７は、循環ライン２１上に配置された第１切換弁７１と、ブリードオフライン６上に配置された第２切換弁７２で構成されていてもよい。ただし、前記実施形態のようにブリードオフ弁７が単一の弁であれば、ブリードオフ弁７を２つの切換弁７１，７２で構成する場合よりも簡単な構造となるので、コストを低減させることができる。なお、ブリードオフ弁７を２つの切換弁７１，７２で構成する場合は、第１切換弁７１は、制御弁３の下流側に配置されていてもよい。
１ 油圧駆動システム
１１ ブームシリンダ（アクチュエータ）
１２ アームシリンダ（アクチュエータ）
１５ メインポンプ
２１ 循環ライン
３ 制御弁
３ａ センターバイパス通路
３１ ブーム制御弁
３２ アーム制御弁
４ 操作装置
４１ ブーム操作弁（操作装置）
４２ アーム操作弁（操作装置）
６ ブリードオフライン
７ ブリードオフ弁
７ａ バイパス通路
７ｂ アンロード通路
７１ 第１切換弁
７２ 第２切換弁
８ 電磁比例弁

Claims (3)

  1. ポンプからタンクまで延びる循環ラインと、
    前記循環ライン上に配置された、アクチュエータに対する作動油の供給および排出を制御する制御弁と、
    前記アクチュエータを作動させるための操作を受ける操作装置であって、前記操作の大きさに応じた操作信号を出力する操作装置と、
    前記循環ラインにおける前記制御弁の上流側部分から分岐してタンクまで延びるブリードオフラインと、
    前記操作信号と正の相関を示す二次圧を出力する電磁比例弁と、
    前記電磁比例弁の二次圧が導かれるパイロットポート、前記循環ラインの一部を構成するバイパス通路、および前記ブリードオフラインの一部を構成するアンロード通路を有するブリードオフ弁であって、前記操作信号が第１設定値を超えるまでは前記バイパス通路が開かれ、前記操作信号が前記第１設定値を超えたときに前記バイパス通路が閉じられるように、かつ、前記操作信号が前記第１設定値以下の第２設定値を超えたときに前記アンロード通路が開かれ、前記操作信号が前記第２設定値を超えてから第３設定値に至るまで前記アンロード通路の開口面積が緩やかに減少するように構成されたブリードオフ弁と、を備え、
    前記制御弁は、前記循環ラインの一部を構成するセンターバイパス通路の開口面積が前記操作信号の増大に伴って緩やかに減少するように構成されている、建設機械の油圧駆動システム。
  2. 前記ブリードオフ弁は、単一の弁である、請求項１に記載の建設機械の油圧駆動システム。
  3. 前記ブリードオフ弁は、前記循環ライン上に配置された第１切換弁と、前記ブリードオフライン上に配置された第２切換弁を含む、請求項１に記載の建設機械の油圧駆動システム。
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