JP2016217087A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンを始動させることなく圧抜きを可能とした新規な建設機械の提供。
【解決手段】圧抜き指示があっときは、電動機２３を駆動すると共にその回転数を、制御弁４７が駆動可能であり、かつ油圧アクチュエータ３２…が稼働不可能である範囲の回転数に制御する。これにより、電動機２３のみを駆動させて圧抜きのための制御弁４７を駆動させる程度の油圧を発生できため、エンジン２２を始動させることなく圧抜きを実施することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧ショベルなどのように圧油によって作動する油圧アクチュエータを備えた建設機械に関するものである。

従来、油圧ショベルのような建設機械においては、ガソリンや軽油などの化石燃料を用いたエンジンを動力源として油圧ポンプを駆動して油圧を発生させることにより、油圧モータや油圧シリンダなどの油圧アクチュエータを駆動する。油圧アクチュエータは小型軽量で大出力が可能であり、建設機械のアクチュエータとして広く用いられている。

一方、例えば以下の特許文献１のように近年、電動モータと蓄電デバイス（リチウムイオンバッテリや電気二重層キャパシタなど）を用いることにより、油圧回路および油圧アクチュエータのみを用いた従来の建設機械よりエネルギ効率を高め、省エネルギ化を図った建設機械が提案されている。電動アクチュエータは油圧アクチュエータに比べてエネルギ効率が良く、制動時の運動エネルギを電気エネルギとして回生できる（油圧アクチュエータの場合は熱にして放出）といった優れた特徴がある。

例えば特許文献１では、エンジンを駆動源とし、蓄電装置、発電電動機、油圧ポンプを備え、発電電動機、油圧ポンプを共にエンジンの出力軸に取り付けたハイブリッド型の油圧ショベルが開示されている。蓄電装置は、発電電動機の電動機作用によって充電され、適時、この蓄電装置の放電力により発電電動機が電動機作用を行ってエンジンをアシストする。例えば、エンジンスピード・センシング（ＥＳＳ）制御を行う機械では、エンジンの回転速度の低下に応じてポンプの減馬力制御に加えてアシスト力を制御するアシスト制御を行う。また、このＥＳＳ制御とは無関係に高負荷時、すなわちエンジンのみでは負荷を賄いきれなくなったときにその不足分をアシスト作動で補う場合もある。

ところで、油圧ショベルのような油圧アクチュエータを備える建設機械においては、アタッチメントの交換やメンテナンス時には、配管内に閉じこもった圧力を開放する必要がある。例えばアタッチメントであるバケットをオプションとしてのブレーカに交換する場合、アタッチメントが油圧管路から取り外される。このとき油圧配管内には圧力が閉じ込められているため、アタッチメントを取り外すと圧力が一気に外部に開放され、作動油が噴出してしまう。

そこで、油圧管路内に閉じこもった圧力を抜くため、油圧ポンプから吐出される作動油をタンク内に戻し、圧力を開放する必要がある。具体的にはコントロールバルブのスプールを動かして圧抜き制御可能な油圧管路に切り換えるという作業が行われる。

ところが、コントロールバルブのスプールがパイロット圧で操作される、いわゆる油圧式コントロールバルブでは、そのパイロット圧の発生源であるパイロットポンプを駆動させるために、エンジンを始動させなければならないが、そうするとパイロットポンプと連動してメインポンプが駆動するため、アタッチメントに繋がっている油圧配管に作動油が流れてしまうことになる。

そのため、コントロールバルブのみを動作したい場合、すなわちスプールのみタンク連動位置に切り換えて圧力開放を行いたい場合であっても、メインポンプから吐出される作動油によって回路圧が立ってしまい、圧力を開放させることができないという不都合がある。

そこで、コントロールバルブを操作するパイロット圧ラインに補助油圧源としてアキュムレータを付加し、エンジン停止後であってもそのアキュムレータに蓄積された油圧を用いてコントロールバルブのスプールをタンク連通位置に切り換えるように構成することもできるが、そうすると回路の構成が複雑になり、アキュムレータを付加することによるコストアップが避けられない。

このような問題の対処方法として、以下の特許文献２のように圧抜きが指示された際に、メインポンプから吐出される作動油の供給路をコントロールバルブの手前側でタンクと連通させて作動油の圧力を低下させ、パイロットポンプから吐出されるパイロット圧で油圧式方向制御弁を操作し、閉じ込め圧が発生している油圧管路をタンクと連通させて圧力を開放する方法が提案されている。

特許第３６４７３１９号公報 特開２０００−６５００３号公報

しかしながら、前記特許文献２に開示されているような手段では圧抜きのたびにエンジンを始動させなければならないため、燃料を消費してしまう上に余分な排気ガスを排出してしまい、環境負荷が高まる。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、エンジンを始動させることなく圧抜きを可能とした新規な建設機械を提供するものである。

前記課題を解決するために第１の発明は、エンジンと、前記エンジンをアシストする電動機と、前記電動機で駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される圧油により駆動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータへの圧油の流れを制御する制御弁と、前記油圧アクチュエータの圧抜きを指示する圧抜き指示手段と、前記電動機の回転数を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記圧抜き指示手段から圧抜き指示があっときは、前記電動機を駆動すると共にその回転数を、前記制御弁が駆動可能であり、かつ前記油圧アクチュエータが稼働不可能である範囲の回転数に制御することを特徴とする建設機械である。

このような構成によれば、電動機のみを駆動させて圧抜きのための制御弁を駆動させる程度の油圧を発生させることができる。これによってエンジンを始動させることなく圧抜きを実施することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記油圧アクチュエータの駆動指令を出力する操作レバー装置と、前記操作レバー装置からの駆動指令の有効・無効を切り換えるゲートロックレバー装置とを備え、前記制御手段は、前記駆動指令が有効であるときに、前記電動機の制御を行うことを特徴とする建設機械である。このような構成によれば、ゲートロックレバー装置の操作によって駆動指令が無効になっているときに圧抜きが行われるのを防止することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記電動機に給電する蓄電装置と、前記蓄電装置の電力残量を検知する電力残量検知手段とを備え、前記制御手段は、前記圧抜き指示手段から圧抜き指示があっときは、前記電力残量検知手段により検知された前記蓄電装置の電力残量が予め設定された残量以上であるときのみ、前記電動機を駆動することを特徴とする建設機械である。

第４の発明は、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記圧抜き指示手段により圧抜き指示が行われていることを周囲に警告する警告手段を備えたことを特徴とする建設機械である。このような構成によれば、圧抜き処理が行われることを周囲や関係各所に確実に知らしめることができる。

第５の発明は、第１乃至第４のいずれかの発明において、前記ブームシリンダのボトム圧を検知するボトム圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記ボトム圧検出手段によるボトム圧が所定の圧力以上であるときは、前記圧抜き指示手段から圧抜き指示があっても前記電動機を駆動しないことを特徴とする建設機械である。このような構成によれば、ブーム先端のバケットなどが宙に浮いた状態のときに誤って圧抜き処理が行われてこれらが落下するのを確実に防止することができる。

本発明によれば、電動機のみを駆動させて圧抜きのための制御弁を駆動させる程度の油圧を発生させることができるため、エンジンを始動させることなく圧抜き処理を実施することができる。この結果、無駄な燃料消費や余分な排気ガスの排出を抑制することができる。

本発明に係る建設機械（油圧ショベル）１００の実施の一形態を示す構成図である。 本発明に係る建設機械（油圧ショベル）１００の油圧・電動システムの実施の一形態を示す構成図である。 本発明に係る建設機械（油圧ショベル）１００の圧抜き指示の実施の一形態を示すフローチャート図である。 本発明に係る建設機械（油圧ショベル）１００の他の実施形態を示す構成図である。 本発明に係る建設機械（油圧ショベル）１００の油圧・電動システムの他の実施形態を示す構成図である。 本発明に係る建設機械（油圧ショベル）１００の圧抜き指示の他の実施形態を示すフローチャート図である。

次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る建設機械１００の１つである油圧ショベルの実施の一形態を示したものである。図示するようにこの油圧ショベル１００は、走行自在な下部走行体１０と、この下部走行体１０上に旋回自在に設けられた上部旋回体２０と、この上部旋回体２０に設けられたショベル機構３０とから主に構成されている。

下部走行体１０は、一対のクローラ１１およびクローラフレーム１２（図では片側のみを示す）、各クローラ１１を独立して駆動制御する一対の走行油圧モータ１３（図では片側のみを示す）およびその減速機構などで構成されている。

上部旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた原動機としてのエンジン２２と、このエンジン２２に直結されたアシスト発電モータ（電動機）２３と、旋回電動モータ２５と、アシスト発電モータ２３および旋回電動モータ２５に接続される蓄電装置２４と、旋回油圧モータ２７と、旋回電動モータ２５および旋回油圧モータ２７の駆動力により下部走行体１０に対して上部旋回体２０を旋回駆動させるための旋回機構２６などで構成されている。なお、図１では旋回油圧モータ２７と旋回電動モータ２５の両方を搭載しているが、旋回油圧モータ２７のみ、あるいは旋回電動モータ２５のみを搭載した構成でも良い。

ショベル機構３０は、ブーム３１と、このブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、このアーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、このアーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、このバケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６などから構成されている。

さらに上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、走行油圧モータ１３，旋回油圧モータ２７，ブームシリンダ３２，アームシリンダ３４，バケットシリンダ３６などの油圧アクチュエータを駆動するための油圧を発生する油圧ポンプ（図示せず）や作動油タンク（図示せず）および各アクチュエータを駆動制御するための図示しないコントロールバルブを含む油圧システム４０が搭載されている。油圧源となる油圧ポンプ４１はエンジン２２およびアシスト発電モータ２３によって駆動される。

図２は、この油圧ショベル１００の電動・油圧機器のシステム構成の一例を示したものである。図示するようにエンジン２２およびアシスト発電モータ２３の駆動力は油圧ポンプ４１、パイロットポンプ４２に伝達されている。パイロットポンプ４２から吐出される圧油（パイロット圧）は、操作レバー装置４５により操作される流量制御弁装置４６で流量と方向を制御され、コントロールバルブ４７に入力される。コントロールバルブ４７は流量制御弁装置４６で制御されたパイロット圧に応じて旋回油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６および走行油圧モータ１３に供給される油圧ポンプ４１からの圧油の流量と方向を制御する。作動油タンク４８は油圧ポンプ４１に作動油を供給すると共に各油圧アクチュエータからの戻り油をコントロールバルブ４７を介して回収する。

ゲートロックレバー４３は、操作レバー装置４５による操作の有効・無効を切り換えるために設けられており、ゲートロックレバー４３がオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）されると、流量制御弁スイッチ４４がパイロットポンプ４２からの圧油を遮断／連通する。これによって操作レバー装置４５による操作が無効／有効のいずれかに切り換えられる。また、ゲートロックレバー４３がオフのときは図示しないスタータカットリレーがオンとなり、エンジン２２が始動されないようになっている。なお、図２においても旋回油圧モータ２７と、旋回電動モータ２５の両方を搭載しているが、旋回油圧モータ２７のみ、あるいは旋回電動モータ２５のみを搭載した構成でも良い。

電動システムは、アシスト発電モータ２３、蓄電装置２４、旋回電動モータ２５、コントローラ８０、パワーコントロールユニット５０などから構成されている。パワーコントロールユニット５０は、チョッパ５１、インバータ５２，５３、インバータ制御コントローラ５４を具備している。

蓄電装置２４からの直流電力は、チョッパ５１によって所定の母線電圧に昇圧され、旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５２、アシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５３に入力される。アシスト発電モータ２３および旋回電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって蓄電装置２４は充放電されることになる。

コントローラ８０は、異常監視・異常処理制御ブロック８１、エネルギマネジメント制御ブロック８２などからなり、パワーコントロールユニット５０に対する制御指令を生成し、電動ステムの異常監視、エネルギマネジメントなどの制御を行う。

蓄電装置２４の蓄電量は、旋回電動モータ２５が加速時に消費するエネルギと減速時に回生するエネルギの差によって増減することになる。これを制御するのがエネルギマネジメント制御ブロック８２であり、アシスト発電モータ２３に発電またはアシスト指令を出すことにより、蓄電装置２４の蓄電量を所定の範囲に保つ制御を行う。

パワーコントロールユニット５０内のインバータ制御コントローラ５４は、コントローラ８０からのトルク指令や充電またはアシスト指令を受け取り、ＰＷＭ信号を出力する。インバータ５２，５３は、三相ＰＷＭ信号を基に内部の図示しないスイッチング素子を開閉させることにより、三相交流電流を生成し、旋回用電動モータ２５、アシスト発電モータ２３を指令されたトルクで駆動する。コントローラ８０内の異常監視・異常処理制御ブロック８１は、電動システムの異常監視を行っており、異常が検知されると電動システムを停止する処理を行う。

図３は、このコントローラ８０の圧抜き指示の処理フローを示したものであり、この図に基づいてその処理の流れを説明する。最初のステップＳ１で圧抜き指示スイッチ６０からの圧抜き指示があるか否かを判断する。圧抜き指示があったと判断したとき（ＹＥＳ）は、エンジン制御部からエンジン２２の回転数を読み込み、エンジン２２が停止中か否かを判断する（ステップＳ２）。このときエンジン２２が停止中と判断するための閾値を、圧抜き時の低速回転数以下と設定すると良い。

ステップＳ２において、エンジン２２が停止中と判断したとき（ＹＥＳ）は、ゲートロックレバー４３がオフであるか否かを判断する（ステップＳ３）。ステップＳ３において、ゲートロックレバー４３がオフであると判断したとき（ＹＥＳ）は、コントローラ８０内のエネルギマネジメント制御部８２で蓄電装置２４の残量を読み込み、圧抜きを実施するのに十分な残量があるか否かを判断する（ステップＳ４）。

このステップＳ４で蓄電装置２４の残量が圧抜きを実施するのに十分であると判断したとき（ＹＥＳ）は、コントローラ８０からパワーコントロールユニット５０内のインバータ制御コントローラ５４に圧抜き開始の信号が送られる。圧抜き開始後は再びステップＳ１から順次同様の判断を行う。

一方、これらステップＳ１乃至Ｓ４において、それぞれ否定的な判断（ＮＯ）がされたときは、コントローラ８０からのパワーコントロールユニット５０内のインバータ制御コントローラ５４に圧抜き終了の信号が送られ、圧抜きは停止される。

このフローによってエンジン２２の稼働中にアシスト電動モータ２３が圧抜き時と同様の低速回転となってエンジン２２に大きな負荷をかけることやアシスト電動モータ２３やアシスト電動モータ用インバータ５３が故障することを避けることができる。また、圧抜き中にエンジン２２が始動されて車体が誤動作する可能性をなくすことができる。さらに蓄電装置２４の残量が不足している場合には圧抜きは停止されるため、蓄電装置２４の過放電による劣化を防ぐことができる。

コントローラ８０からパワーコントロールユニット５０内のインバータ制御コントローラ５４に圧抜き信号が送られると、インバータ制御コントローラ５４内に記憶されている圧抜き時のアシスト電動モータ２３の回転数に応じた三相ＰＷＭ信号がアシスト電動モータ用インバータ５３に送られ、ここで三相交流電流を生成し、アシスト電動モータ２３が駆動される。このアシスト電動モータ２３が駆動されることにより、直結されている油圧ポンプ４１とパイロットポンプ４２が駆動される。

このときアシスト電動モータ２３の回転数はエンジン２２のクランキング回転数程度の低速回転としているため、油圧ポンプ４１によって吐出されるメイン圧はほぼ立たず、パイロットポンプ４２によって吐出されるパイロット圧は、コントロールバルブ４７のスプールを動かすのに十分な圧力を立てることができる。

この状態で操作レバー装置４５を動かすと、コントロールバルブ４７の対応するスプールが動作し、閉じ込め圧が発生している油圧管路を作動油タンク４８と連通させて圧力を開放することができる。ここでは、圧抜き指示手段を圧抜き指示スイッチ６０としたが、エンジン回転数などを表示するモニタ内に表示される項目として設け、選択するように構成しても良い。また、外部よりパソコン（ＰＣ）を接続し、ＰＣから圧抜き指示を行うように構成しても良い。

圧抜き指示を行うと、油圧管路に閉じ込められた圧油が開放されるため、ショベル機構３０が空中で停止している状態で圧抜きを行うと、そのままショベル機構３０が自重落下してしまう。そこで、ショベル機構３０が空中で停止している状態では圧抜きを実施できないように構成する方法が考えられる。例えばブームシリンダ３２のボトム側の圧力を検知するブームボトム圧センサを設け、一定の圧力が立っている場合は圧抜き不可とする。

ショベル圧機構３０の重量がそのままブームシリンダ３２にかかった場合の圧力以上のときに圧抜き不可となるように設定すれば、ショベル機構３０の重量が一部でも地面や設置物にかかっている場合は圧抜きを行ってもショベル機構３０が自重で落下するおそれがないと判断して圧抜きを行うことができる。さらに、オペレータへの注意喚起のために圧抜き時にモニタなどの表示装置での警告表示や周囲への注意喚起のためにホーンを鳴らすなどをすれば良い。

以上のように本実施の形態では蓄電装置２４に蓄えられた電力を用いてアシスト発電モータ２３を低速回転で駆動することにより、エンジン２２を始動させることなく圧抜きを実施することができる。

次に、図４乃至図６は本発明の他の実施の形態を示したものである。図４乃至図６は前述した図１乃至図３に対応するものであり、同一の構成および同一の処理はそれぞれ同一の符号を付している。本実施の形態ではエンジン２２を搭載せず、蓄電装置２４の電力を用いて電動モータ２８を駆動し、電動モータ２８の駆動力が油圧ポンプ４１とパイロットポンプ４２に伝達される構成となっている。図４および図５では蓄電装置２４により電動モータ２８を駆動する構成としたが、蓄電装置２４のみでなくケーブルを用いて外部電源直接接続して電動モータ２８を駆動するようにしても良い。

また、ここでは旋回用油圧モータ２７で旋回する場合の構成を示したが、前記実施の形態の旋回用電動モータ２５を併用、あるいは旋回用電動モータ２５のみの構成とし、旋回加速・減速に応じて蓄電装置２４の電力を放電・充電するようにしても良い。

次に図６のフローチャートに基づき前記実施の形態との相違点について説明する。本実施の形態ではエンジン２２の代わりに電動モータ２８を備えているため、図３におけるエンジン２２が停止中か否かを判断（ステップＳ２）する代わりに電動モータ２８が停止中か否かを判断（ステップＳ５）する。このとき、電動モータ２８が停止中と判断するための回転数の閾値を、圧抜き時の低速回転数以下と設定すると良い。

このステップＳ５で電動モータ２８が停止中と判断したとき（ＹＥＳ）、次のステップＳ３へ進む。ステップＳ５で停止中でないと判断したとき（ＮＯ）は、コントローラ８０からパワーコントロールユニット５０内のインバータ制御コントローラ５４に圧抜き終了の信号が送られ、圧抜きは停止される。その他のフローは図３に基づいて説明した前記実施の形態と同様である。

このように本実施の形態においても蓄電装置２４に蓄えられた電力、あるいは外部電源から供給される電力を用いて電動モータ２３を低速回転で駆動することにより、エンジン２２を始動させることなく圧抜きを実施することができる。

１００…油圧ショベル（建設機械）
１０…下部走行体
１１…クローラ
１２…クローラフレーム
１３、１４…走行用油圧モータ（油圧アクチュエータ）
２０…上部旋回体
２１…旋回フレーム
２２…エンジン
２３…アシスト発電モータ（電動機）
２４…蓄電装置
２５…旋回電動モータ
２６…減速機
２７…旋回油圧モータ（油圧アクチュエータ）
２８…電動モータ
３０…ショベル機構
３１…ブーム
３２…ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３３…アーム
３４…アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３５…バケット
３６…バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）
４０…油圧システム
４１…油圧ポンプ
４２…パイロットポンプ
４３…ゲートロックレバー
４４…パイロットカット弁
４５…操作レバー装置
４６…流量制御弁装置
４７…コントロールバルブ（制御弁）
４８…作動油タンク
５０…パワーコントロールユニット
５１…チョッパ
５２…旋回電動モータ用インバータ
５３…アシスト発電モータ用インバータ
５４…インバータ制御コントローラ
６０…圧抜き指示スイッチ（圧抜き指示手段）
８０…コントローラ（制御手段）
８１…異常監視・異常処理制御ブロック
８２…エネルギマネジメント制御ブロック

Claims (5)

1. エンジンと、
   前記エンジンをアシストする電動機と、
   前記電動機で駆動される油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプから吐出される圧油により駆動する油圧アクチュエータと、
   前記油圧アクチュエータへの圧油の流れを制御する制御弁と、
   前記油圧アクチュエータの圧抜きを指示する圧抜き指示手段と、
   前記電動機の回転数を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記圧抜き指示手段から圧抜き指示があっときは、前記電動機を駆動すると共にその回転数を、前記制御弁が駆動可能であり、かつ前記油圧アクチュエータが稼働不可能である範囲の回転数に制御することを特徴とする建設機械。
2. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記油圧アクチュエータの駆動指令を出力する操作レバー装置と、
   前記操作レバー装置からの駆動指令の有効・無効を切り換えるゲートロックレバー装置とを備え、
   前記制御手段は、前記駆動指令が有効であるときに、前記電動機の制御を行うことを特徴とする建設機械。
3. 請求項１または２に記載の建設機械において、
   前記電動機に給電する蓄電装置と、
   前記蓄電装置の電力残量を検知する電力残量検知手段とを備え、
   前記制御手段は、前記圧抜き指示手段から圧抜き指示があっときは、前記電力残量検知手段により検知された前記蓄電装置の電力残量が予め設定された残量以上であるときのみ、前記電動機を駆動することを特徴とする建設機械。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の建設機械において、
   前記圧抜き指示手段により圧抜き指示が行われていることを周囲に警告する警告手段を備えたことを特徴とする建設機械。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の建設機械において、
   前記ブームシリンダのボトム圧を検知するボトム圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記ボトム圧検出手段によるボトム圧が所定の圧力以上であるときは、
   前記圧抜き指示手段から圧抜き指示があっても前記電動機を駆動しないことを特徴とする建設機械。

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