JP2016223563A - 建設機械の油圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】油圧アクチュエータに作用する負の負荷の変化に応じてメータアウト圧力損失を低減でき、負の負荷の大きさを検出する圧力センサに異常状態が生じても、操作性の悪化を防止できる建設機械の油圧制御装置を提供する。
【解決手段】油圧アクチュエータから排出される圧油が流れるメータアウト流路と、メータアウト流路に設けられた可変絞りと、外力により油圧アクチュエータに加えられる負荷であって、油圧アクチュエータの動作方向と同じ方向の負荷である負の負荷の大きさを検出する負荷検出器と、負荷検出器の異常を検出しないときには、可変絞りの開口面積の合計値を、負荷検出器により検出される負の負荷の大きさの増加と操作量検出器の操作量とに応じて低減し、負荷検出器の異常を検出したときには、可変絞りの開口面積の合計値を、操作量検出器の操作量に応じて予め定めた値まで低減する制御装置とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、建設機械の油圧制御装置に関する。

油圧ショベル等の建設機械は、一般に、油圧ポンプと、当該油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧アクチュエータと、当該油圧アクチュエータに対する圧油の給排を制御する流量制御弁とを備えている。例えば、油圧ショベルの場合、油圧アクチュエータは、フロント作業装置のブームを駆動するブームシリンダ、アームを駆動するアームシリンダ、バケットを駆動するバケットシリンダ、旋回体を旋回させるための旋回油圧モータ、走行体を走行させるための走行油圧モータ等であり、それぞれのアクチュエータに対して流量制御弁が設けられている。また、各流量制御弁はメータイン絞りとメータアウト絞りを有し、メータイン絞りにより油圧ポンプから該当する油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞りにより当該油圧アクチュエータからタンクへ排出される圧油の流量を制御する。

このような油圧アクチュエータを備える建設機械では、油圧アクチュエータの支持対象物（例えば、アームシリンダであればアームおよびバケット（アタッチメント））の自重が、当該油圧アクチュエータの動作方向と同一の方向の負荷（以下、「負の負荷」と称することがある）として作用すると、当該油圧アクチュエータの動作速度が増加すると共に、これによりメータイン側の圧油の流量が不足して、息継ぎ現象（キャビテーション）が発生する場合がある。この結果、建設機械の操作性が悪化するおそれが生じる。

このような問題に対して、油圧シリンダのロッド側に接続されるロッド側管路から分岐されタンクに連絡されるメータアウト管路にパイロット式の可変開口弁を設け、ロッド側の圧力に応じて可変開口弁の開口面積を制御するように構成した油圧回路がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１７７４０２号公報

ところで、上述した負の負荷を支持するのに必要なロッド側の圧力、すなわちメータアウト圧力損失は、アームとアタッチメントの重量だけではなく、アームの姿勢によっても変化する。例えば、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウド動作する場合、アームシリンダの伸長開始直後、すなわちアームの角度が水平に近い状態では、負の負荷を支持するために高いロッド側の圧力が必要となるのに対し、アームシリンダが伸長したアームの角度が鉛直に近い状態では、伸長開始直後よりも低いロッド側の圧力で負の負荷を支持することができる。

本発明の出願人と発明者は、この点を踏まえて、以下の構成の油圧制御装置を発明し特許出願している。すなわち、油圧アクチュエータに対する圧油の給排を制御する制御弁と、前記制御弁のスプール位置を操作する操作レバーと、前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れるメータアウト流路と、前記メータアウト流路上に設けられた可変絞りと、前記油圧アクチュエータに作用する負の負荷の大きさを検出する圧力センサと、前記操作レバーの操作量を検出するための圧力センサとを備え、検出した前記負の負荷の大きさと前記操作レバーの操作量とに応じて前記制御弁のスプール位置を移動させると共に、前記可変絞りの開口面積を制御することを特徴とする油圧制御装置。このような油圧制御装置によれば、例えば、負の負荷の大きさが増加した場合には、可変絞りの開口面積を低減させるように制御する。

しかしながら、上述した構成の油圧制御装置において、油圧アクチュエータに作用する負の負荷の大きさを検出する圧力センサに故障あるいは異常状態が生じた場合、負の負荷の大きさを正確に検出できなくなるので、可変絞りの開口面積を負の負荷を支持するのに必要な大きさに低減できないことが想定される。この結果、息継ぎ現象が生じて操作性を悪化させると共に、最悪の場合には、油圧機器の損傷を招くおそれがある。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、油圧アクチュエータに作用する負の負荷の変化に応じてメータアウト圧力損失を低減できると共に、負の負荷の大きさを検出する圧力センサに故障あるいは異常状態が生じた場合であっても、操作性の悪化や油圧機器の損傷を防止できる建設機械の油圧制御装置を提供するものである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れる少なくとも１つのメータアウト流路と、前記少なくとも１つのメータアウト流路にそれぞれ設けられた少なくとも１つの可変絞りと、前記油圧アクチュエータの動作指令信号を操作量に応じて出力する操作装置と、前記操作装置の操作量を検出する操作量検出器と、外力により前記油圧アクチュエータに加えられる負荷であって、前記油圧アクチュエータの動作方向と同じ方向の負荷である負の負荷の大きさを検出する負荷検出器と、前記負荷検出器の故障あるいは異常状態を検出する負荷異常検出器と、前記負荷異常検出器が前記負荷検出器の故障あるいは異常状態を検出しないときには、前記少なくとも１つのメータアウト流路にそれぞれ設けられた前記少なくとも１つの可変絞りの開口面積の合計値を、前記負荷検出器により検出される負の負荷の大きさの増加と前記操作量検出器により検出される操作量とに応じて低減し、前記負荷異常検出器が前記負荷検出器の故障あるいは異常状態を検出したときには、前記少なくとも１つの可変絞りの開口面積の合計値を、前記操作量検出器により検出される操作量に応じて予め定めた値まで低減する制御装置とを備えるものとする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記負荷検出器により検出される負の負荷の大きさの増加に応じて前記少なくとも１つの可変絞りの開口面積の合計値が前記制御装置により変化される範囲には、前記操作装置の操作量ごとに上限値と下限値が存在し、前記負荷異常検出器が前記負荷検出器の故障あるいは異常状態を検出したときには、前記少なくとも１つの可変絞りの開口面積の合計値を前記操作装置の操作量ごとに存在する下限値に低減することを特徴とする。

更に、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記油圧アクチュエータに対する前記圧油の給排をスプール位置に応じて制御する制御弁をさらに備え、
前記少なくとも１つのメータアウト流路は、前記油圧アクチュエータが前記負の負荷と同じ方向に動作するときに前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れる流路であって、前記制御弁内を通過する第１流路であり、前記少なくとも１つの可変絞りは、前記第１流路における前記制御弁内に設けられた第１可変絞りであり、前記制御装置は、前記負荷検出器により検出される負の負荷の大きさの増加と前記操作量検出器により検出される操作量に応じて前記制御弁のスプール位置を変更することで前記第１可変絞りの開口面積を低減する
ことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１または第２の発明において、前記油圧アクチュエータに対する前記圧油の給排をスプール位置に応じて制御する制御弁をさらに備え、
前記少なくとも１つのメータアウト流路は、前記油圧アクチュエータが前記負の負荷と同じ方向に動作するときに前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れる流路であって、前記制御弁内を通過する第１流路と、前記油圧アクチュエータが前記負の負荷と同じ方向に動作するときに前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れる流路である第２流路とであり、前記少なくとも１つの可変絞りは、前記第１流路における前記制御弁内に設けられ、前記操作装置の操作量の増加に応じて開口面積が増加する第１可変絞りと、前記第２流路に設けられ、油圧源から出力されるパイロット圧の増加に応じて開口面積が増加する第２可変絞りとであり、前記制御装置は、前記負荷検出器により検出される負の負荷の大きさの増加と前記操作量検出器により検出される操作量に応じて前記第２可変絞りの開口面積を低減することで、前記第１可変絞りと前記第２可変絞りの開口面積の合計値を低減することを特徴とする。

更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記油圧アクチュエータは、油圧ショベルのアームを駆動するアームシリンダ、あるいはバケットを駆動するバケットシリンダであることを特徴とする。

本発明によれば、負の負荷の大きさを検出する圧力センサに故障あるいは異常状態が生じた場合であっても、操作性の悪化や油圧機器の損傷を防止できる建設機械の油圧制御装置を提供できる。

本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す側面図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームシリンダに関する制御・油圧回路を示す概念図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態を構成するコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とアームシリンダに作用する負荷との関係を示す特性図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とメータアウト絞り２３ａの目標開口面積との関係を示す特性図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態において、アームシリンダに関する制御・油圧回路を示す概念図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態における、メータアウト絞り５２ａ，２３ａの開口面積特性を示す特性図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態を構成するコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とアームシリンダに作用する負荷との関係を示す特性図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とメータアウト絞り５２ａの目標開口面積との関係を示す特性図である。

以下、建設機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す側面図である。
図１において、油圧ショベル３０１は左右一対の覆帯３０２ａ，３０２ｂを備えた走行体３０３と、走行体３０３の上部に旋回可能に設けた旋回体３０４と、一端が旋回体３０４に連結された多関節型の作業装置３００とを備えている。

走行体３０３には、覆帯３０２ａ，３０２ｂを駆動させる走行油圧モータ３１８ａ，３１８ｂが搭載されている。旋回体３０４中央部には、旋回体３０４を旋回させる旋回油圧モータ３１９が備えられている。旋回体３０４の前方左側には操作レバー（操作装置）６（図２参照）が格納された運転室３０５が設置されている。旋回体３０４前方中央部には作業装置３００が取り付けられている。

作業装置３００は、旋回体３０４の前方中央部に設けられたブームフート（図示せず）に上下揺動自在に取り付けられたブーム３１０と、ブーム３１０の先端に前後方向に揺動自在に取り付けられたアーム３１２と、アーム３１２の先端に上下回動自在に取り付けられた作業具（アタッチメント）であるバケット３１４を備えている。

また、作業装置３００は、ブームフートとブーム３１０に連結され、ブーム３１０を上下方向に揺動させるブームシリンダ（油圧シリンダ）３１１と、ブーム３１０とアーム３１２とに連結され、アーム３１２を上下方向に揺動させるアームシリンダ（油圧シリンダ）４と、アーム３１２と作業具３１４とに連結され、バケット３１４を上下方向に回動させるバケットシリンダ（油圧シリンダ）３１５とを有している。すなわち、作業装置３００はこれら各油圧シリンダ３１１，４，３１５により駆動される。

図２は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームシリンダに関する制御・油圧回路を示す概念図である。図２において、本実施の形態に係る油圧制御装置は、原動機１と、この原動機１によって駆動される油圧ポンプ２と、油圧ポンプ２の吐出ライン３に接続され、アームシリンダ４に供給される圧油の流量および方向を制御するアーム用の制御弁３１を有する弁装置５と、アーム用の操作レバー装置であるパイロット弁６とを備えている。

油圧ポンプ２は可変容量型であり、押しのけ容積可変部材、例えば斜板２ａを有し、斜板２ａは油圧ポンプ２の吐出圧が高くなるにしたがって容量を減らすように馬力制御アクチュエータ２ｂにより制御される。

制御弁３１は、センタバイパス型であり、センタバイパス部２１がセンタバイパスライン３２上に位置している。センタバイパスライン３２は上流側を油圧ポンプ２の吐出ライン３に接続され、下流側をタンク３３に接続されている。また、制御弁３１はポンプポート３１ａおよびタンクポート３１ｂとアクチュエータポート３１ｃ，３１ｄとを有し、ポンプポート３１ａはセンタバイパスライン３２に接続され、タンクポート３１ｂはタンク３３に接続され、アクチュエータポート３１ｃ，３１ｄはアクチュエータライン３５，３４を介してアームシリンダ４の１ボトム側油室とロッド側油室に接続されている。

パイロット弁６は、操作レバー３６と、一対の減圧弁（図示せず）を内蔵したパイロット圧発生部３７とを有し、パイロット圧発生部３７はパイロットライン３８，３９を介して制御弁３１のパイロット圧受圧部３１ｅ，３１ｆに接続されている。操作レバー３６が操作されると指令パイロット圧発生部３７はその操作方向に応じて一対の減圧弁の一方を作動させ、その操作量に応じたパイロット圧をパイロットライン３８，３９の一方に出力する。

制御弁３１は、中立位置Ａと切換位置Ｂ，Ｃを有し、パイロットライン３８より受圧部３１ｅにパイロット圧が与えられると、図示左側の切換位置Ｂに切り換えられる。このとき、アクチュエータライン３５がメータイン側に、アクチュエータライン３４がメータアウト側となり、アームシリンダ４のボトム側油室に圧油が供給されて、アームシリンダ４のピストンロッドが伸長する。

一方、パイロットライン３９より受圧部３１ｆにパイロット圧が与えられると、図示右側の位置Ｃに切り換えられる。このとき、アクチュエータライン３４がメータイン側に、アクチュエータライン３５がメータアウト側となり、アームシリンダ４のロッド側油室に圧油が供給されて、アームシリンダ４のピストンロッドが収縮する。アームシリンダ４のピストンロッドの伸長はアームを引き込む動作すなわちクラウド活動作に対応し、アームシリンダ４のピストンロッドの収縮はアームを押し出す動作すなわちダンプ動作に対応する。

また、制御弁３１は、メータイン絞り２２ａ，２２ｂおよびメータアウト絞り２３ａ，２３ｂを有している。制御弁３１が切換位置Ｂにあるときはメータイン絞り２２ａによりアームシリンダ４に供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞り２３ａによりアームシリンダ４からの戻り油の流量を制御する。一方、制御弁３１が切換位置Ｃにあるときはメータイン絞り２２ｂによりアームシリンダ４に供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞り２３ｂによりアームシリンダ４からの戻り油の流量を制御する。

本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態は、その特徴的構成として、アームシリンダ４のボトム側油室の圧力を検出する圧力センサ４１と、アームシリンダ４のロッド側油室の圧力を検出する圧力センサ４２と、パイロット弁６より出力されるアームクラウドパイロット圧を検出する圧力センサ４３と、パイロットライン３８に配置される電磁比例弁４４と、圧力センサ４１、圧力センサ４２および圧力センサ４３の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、電磁比例弁４４に指令電流を出力するコントローラ４５を有している。

次に、本実施の形態におけるコントローラの処理内容を図３を用いて説明する。図３は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態を構成するコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。

コントローラ４５は、アームシリンダ負荷演算部４５ａと、第１メータアウト開口演算部４５ｂと、第２メータアウト開口演算部４５ｃと、シリンダ圧力センサ故障検出部４５ｄと、出力選択部４５ｅと、ソレノイド電流演算部４５ｆとを備えている。

アームシリンダ負荷演算部４５ａは、圧力センサ４１が検出したアームシリンダ４のボトム側油室の圧力信号と、圧力センサ４２が検出したアームシリンダ４のロッド側油室の圧力信号とを入力し、アームシリンダ４のボトム側油室の圧力信号とボトム側油室の受圧面積の積からアームシリンダ４のロッド側油室の圧力信号とロッド側油室の受圧面積の積を減算して、アームシリンダ４の負荷を算出する。

具体的には、圧力センサ４１が検出したアームシリンダ４のボトム側油室の圧力信号を第１入力として入力し、ボトム側油室の受圧面積に相当する信号を第２入力として入力し、第１入力と第２入力の乗算した結果を出力する第１乗算器Ａ１と、圧力センサ４２が検出したアームシリンダ４のロッド側油室の圧力信号を第１入力として入力し、ロッド側油室の受圧面積に相当する信号を第２入力として入力し、第１入力と第２入力の乗算した結果を出力する第２乗算器Ａ２と、第１乗算器Ａ１の出力信号を第１入力として入力し、第２乗算器Ａ２の出力信号を第２入力として入力し、第１入力から第２入力を減算した結果を出力する減算器Ｂとを備えている。算出したアームシリンダ４の負荷信号は、第１メータアウト開口演算部４５ｂへ出力される。

アームシリンダ負荷演算部４５ａは、例えば、掘削作業等のときのようにアームシリンダ４のピストンロッドが伸長する方向と逆の方向の負荷が作用する場合、ボトム側油室の圧力信号とボトム側油室の受圧面積の積である第１乗算器Ａ１の出力のほうが、ロッド側油室の圧力信号とロッド側油室の受圧面積の積である第２乗算器Ａ２の出力よりも大きくなり、減算の結果である減算器Ｂの出力は正となり、アームシリンダ４の負荷として、正の負荷を算出する。

一方、アームとアタッチメントの重量による負荷のようにアームシリンダ４のピストンロッドが伸長する方向と同じ方向の負荷が作用する場合、ボトム側油室の圧力信号とボトム側油室の受圧面積の積である第１乗算器Ａ１の出力のほうが、ロッド側油室の圧力信号とロッド側油室の受圧面積の積である第２乗算器Ａ２の出力よりも小さくなり、減算の結果である減算器Ｂの出力は負となり、アームシリンダ４の負荷として、負の負荷を算出する。

第１メータアウト開口演算部４５ｂは、圧力センサ４３が検出したアームクラウドパイロット圧力信号と、アームシリンダ負荷演算部４５ａで算出されたアームシリンダ４の負荷とを入力し、図３中に示したテーブルを用いてアームシリンダ４の負荷とアームクラウドパイロット圧とに応じたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を算出する。算出したメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号は、出力選択部４５ｅへ出力される。

第１メータアウト開口演算部４５ｂのテーブルにおいて、実線で示す特性Ａは、アームシリンダ負荷演算部４５ａで算出したアームシリンダ４の負荷信号が正のときにおける、アームクラウドパイロット圧に応じたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号の特性（最大値）を示す。この特性は、負荷信号が正であれば、その大きさには依存しない。一方、破線で示す特性Ｂは、アームシリンダ負荷演算部４５ａで算出したアームシリンダ４の負荷信号が負であってその絶対値が最大のときにおける、アームクラウドパイロット圧に応じたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号の特性（最小値）を示す。同じアームクラウドパイロット圧において、特性Ｂはアームシリンダ４の負荷信号が負であって絶対値が最大の場合であり、絶対値が小さくなるにしたがって、特性Ａの方向にメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号が増加する特性線が存在する。

換言すると、一定のアームクラウドパイロット圧において、アームシリンダ４の負荷信号が負であって絶対値が最大のときには、メータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号を最小値まで減少させ、絶対値が小さくなるにしたがって、メータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号を特性Ａの方向に増加させている。

第２メータアウト開口演算部４５ｃは、圧力センサ４３が検出したアームクラウドパイロット圧力信号を入力し、図３中に示したテーブルを用いてアームクラウドパイロット圧に応じたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を算出する。算出したメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号は、出力選択部４５ｅへ出力される。また、第２メータアウト開口演算部４５ｃのテーブルにおける特性は、第１メータアウト開口演算部４５ｂの特性Ｂと同じであり、アームクラウドパイロット圧に応じたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号の特性（最小値）を示す。

シリンダ圧力センサ故障検出部４５ｄは、圧力センサ４１が検出したアームシリンダ４のボトム側油室の圧力信号と、圧力センサ４２が検出したアームシリンダ４のロッド側油室の圧力信号とを入力し、これらの圧力信号の値と最大閾値と最小閾値とを比較して、閾値を超える状態が一定時間続いた場合に、シリンダ圧力センサが故障／異常状態と判断する。例えば、回路の断線や接続部の接触不良が生じた場合には、センサの出力電圧は最小電圧になり、回路が短絡した場合には、センサの出力電圧は最大電圧になることが想定される。このため、閾値を超えることと、その状態が一定時間継続することで故障／異常状態と判断する。

具体的には、圧力センサ４１が検出したアームシリンダ４のボトム側油室の圧力信号を第１入力として入力し、最大閾値を第２入力として入力する第１比較器（コンパレータ）Ｃ１と、第１比較器Ｃ１と同じ第１入力であって、最小閾値を第２入力として入力する第２比較器（コンパレータ）Ｃ２と、圧力センサ４２が検出したアームシリンダ４のロッド側油室の圧力信号を第１入力として入力し、最大閾値を第２入力として入力する第３比較器（コンパレータ）Ｃ３と、第３比較器Ｃ３と同じ第１入力であって、最小閾値を第２入力として入力する第４比較器（コンパレータ）Ｃ４と、第１比較器Ａ１の出力信号を入力する第１限時演算器（タイマ）Ｄ１と、第２比較器Ｃ２の出力信号を入力する第２限時演算器（タイマ）Ｄ２と、第３比較器Ｃ３の出力信号を入力する第３限時演算器（タイマ）Ｄ３と、第４比較器Ｃ４の出力信号を入力する第４限時演算器（タイマ）Ｄ４と、第１限時演算器Ｄ１〜第４限時演算器Ｄ４の出力信号を入力する論理和演算器Ｅとを備えている。

ここで、第１比較器Ｃ１と第３比較器Ｃ３は、第１入力が閾値である第２入力超過の場合にディジタル出力信号１を出力する。第２比較器Ｃ２と第４比較器Ｃ４は、第１入力が閾値である第２入力未満の場合にディジタル出力信号１を出力する。また、第１限時演算器Ｄ1〜第４限時演算器Ｄ４は、入力信号が入力された後、予め定めた時間経過後にディジタル出力信号１を出力する。論理和演算器Ｅは、入力された４つの信号のいずれかが１であれば、ディジタル出力信号１を出力する。算出したディジタル出力信号は、出力選択部４５ｅへ出力される。

出力選択部４５ｅは、第１メータアウト開口演算部４５ｂの出力信号を第１入力、第２メータアウト開口演算部４５ｃの出力信号を第２入力として入力し、切換信号としてシリンダ圧力センサ故障検出部４５ｄの論理和演算器Ｃからのディジタル出力信号を入力している。出力選択部４５ｅは、切換信号であるディジタル出力信号が１のときには、出力信号として第２入力である第２メータアウト開口演算部４５ｃの出力信号を出力する。また、入力している切換信号の論理和演算器Ｅからのディジタル出力信号が０のときには、出力信号として第１入力である第１メータアウト開口演算部４５ｂの出力信号を出力する。出力選択部４５ｅの出力信号は、ソレノイド電流演算部４５ｆに入力されている。

ソレノイド電流演算部４５ｆは、第１メータアウト開口演算部４５ｂまたは第２メータアウト開口演算部４５ｃで算出されたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を出力選択部４５ｅから入力し、入力値に応じたソレノイド電流値を算出し、電磁比例弁４４へ制御信号として出力する。

次に、本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態の動作を図４及び図５を用いて説明する。図４は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とアームシリンダに作用する負荷との関係を示す特性図、図５は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とメータアウト絞りの目標開口面積との関係を示す特性図である。

なお、圧力センサ４１，４２が正常状態にある場合と、圧力センサ４１，４２のいずれか一方、またはその両方に故障あるいは異常状態が生じた場合とを比較して説明する。
まず、圧力センサ４１及び４２が正常状態にある場合の動作について説明する。図４の横軸に示すアーム角度とは、水平面に対するアーム３１２の角度であって、アーム３１２が空中で地面に対して水平に保持された状態を０度とし、この状態からアームシリンダ４を伸ばして図１中の反時計回りにアーム３１２を回動させてアーム３１２が水平面に対して鉛直に保持された状態を９０度とする。

図４において、実線で示す特性Ａは、標準バケットを装着した場合のアームシリンダ４の負荷を示し、破線で示す特性Ｂは、標準バケットより重いアタッチメントを装着した場合のアームシリンダ４の負荷を示す。いずれの場合も、アーム角度が０度（水平）に近い状態では、アーム３１２とアタッチメントの重量によってアームシリンダ負荷は負の負荷となるが、アーム角度が鉛直に近づくにつれて負の負荷の絶対値は減少し、鉛直付近で正の負荷となる。

このときのアーム角度とコントローラ４５の第１メータアウト開口演算部４５ｂで算出されるメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号との関係を図５に示す。図５において、実線で示す特性Ａは、標準バケットを装着した場合のメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を示し、破線で示す特性Ｂは、標準バケットより重いアタッチメントを装着した場合のメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を示す。

標準バケットを装着した場合には、アーム角度が０度（水平）に近い状態では、メータアウト絞り２３ａの目標開口面積は絞られているが、アーム角度が鉛直に近づくにつれて増加し、最大値になる。ここで、この最大値は、図３の第１メータアウト開口演算部４５ｂの実線で示す特性Ａの開口面積特性に相当する。

標準バケットより重いアタッチメントを装着した場合には、アーム角度が０度（水平）に近い状態では、メータアウト絞り２３ａの目標開口面積は最小値となるが、アーム角度が鉛直に近づくにつれて増加し、最大値になる。ここで、この最小値は、図３の第１メータアウト開口演算部４５ｂの破線で示す特性Ｂの開口面積特性に相当する。

このように、本実施の形態においては、アームシリンダ４の負荷に応じてメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を変化させるので、メータアウト圧力損失を低減することができ、エネルギーロスも低減できる。

ここで、本実施の形態の理解を容易にするために、図３に示すコントローラ４５において、第２メータアウト開口演算部４５ｃとシリンダ圧力センサ故障検出部４５ｄと出力選択部４５ｅとを備えない場合であって、圧力センサが故障あるいは異常状態の場合の動作を説明する。

例えば、圧力センサ４１の出力が実際の検出圧力と無関係に最高圧力で一定となった場合には、図３に示すアームシリンダ負荷演算部４５ａで算出したアームシリンダ４の負荷信号は常に正の負荷となるので、第１メータアウト開口演算部４５ｂで算出されるメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号は、実線で示す特性Ａの開口面積特性が出力される。

このような状況において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドすると、実際には図４で示すようにアーム角度が０度（水平）に近い状態では、負の負荷が作用しているにも関わらず、図５で示すようにメータアウト絞り２３ａの開口面積が負の負荷を支持するのに必要な開口面積まで低減されない。このことにより、息継ぎ現象が生じ、操作性の悪化やアームシリンダ４や弁装置５の損傷を招くおそれがある。本発明の建設機械の油圧制御装置は、このような圧力センサの故障／異常状態においても、操作性の悪化や油圧機器の損傷を防止することを目的としている。

本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、圧力センサ４１，４２のいずれか一方、またはその両方に故障あるいは異常状態が生じた場合について図３を用いて説明する。

例えば、圧力センサ４１の出力が実際の検出圧力と無関係に最高圧力で一定となった場合には、シリンダ圧力センサ故障検出部４５ｄの第１比較器Ｃ１の第１入力が最大閾値である第２入力を超過するので、ディジタル出力信号１が出力され、第１限時演算器Ｄ1に入力される。第１限時演算器Ｄ１は、入力信号が入力された後予め定めた時間経過後にディジタル出力信号を論理和演算器Ｅへ出力する。論理和演算器Ｅからディジタル出力信号１が出力選択部４５ｅへ出力される。

出力選択部４５ｅは、切換信号であるディジタル出力信号１を入力したので、第１入力である第１メータアウト開口演算部４５ｂの出力信号から、第２入力である第２メータアウト開口演算部４５ｃの出力信号へ出力信号を切り換えてソレノイド電流演算部４５ｆへ出力し、ソレノイド電流演算部４５ｆは入力値に応じたソレノイド電流値を算出して電磁比例弁４４を制御する。

第２メータアウト開口演算部４５ｃのテーブルには、第１メータアウト開口演算部４５ｂの特性Ｂと同じアームクラウドパイロット圧に応じたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号の特性（最小値）が設定されているので、アームシリンダ４に作用する負の負荷の絶対値が最大となる条件、例えば、重いアタッチメントを装着したアームが地面に対して水平に近い姿勢であっても、メータアウト絞り２３ａの開口面積が負の負荷を支持するのに必要な開口面積まで低減されるため、息継ぎ現象が生じることはない。

このように、圧力センサ４１，４２のいずれか一方、またはその両方に故障あるいは異常状態が生じたときには、操作レバー３６の操作量に基づいてメータアウト絞り２３ａの開口面積を制御するので、アームシリンダ４に負の負荷が作用する際の操作性の悪化を防止できる。

上述した本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態によれば、負の負荷の大きさを検出する圧力センサ４１，４２に故障あるいは異常状態が生じた場合であっても、操作性の悪化や油圧機器の損傷を防止できる建設機械の油圧制御装置を提供できる。

以下、本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図６は本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態において、アームシリンダに関する制御・油圧回路を示す概念図、図７は本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態における、メータアウト絞り５２ａ，２３ａの開口面積特性を示す特性図である。図６及び図７において、図１乃至図５に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態において、制御・油圧回路の概略システムは、第１の実施の形態と大略同じであるが、パイロットライン３８に配置された電磁比例弁４４を省略し、アームクラウド指令時のメータアウト側のアクチュエータライン３４から分岐してタンク３３に接続するメータアウト分岐ライン５１を設け、メータアウト分岐ライン５１にメータアウト制御弁５２を配置し、メータアウト制御弁５２のスプール位置の切換えを行うための電磁比例弁５３を設けた点が異なる。

メータアウト制御弁５２は、２ポート２位置弁であり、メータアウト絞り５２ａと受圧部５２ｂとを備えている。受圧部５２ｂは、アームクラウド指令側のパイロットライン３８に信号圧ライン５４を介して接続されている。信号圧ライン５４には電磁比例弁５３が配置されている。

電磁比例弁５３は、コントローラ４５から出力される指令電流に応じてアームクラウドパイロット圧を減圧し、受圧部５２ｂに信号圧を出力する。

第１の実施の形態では、流量制御弁３１内のメータアウト絞り２３ａのみの開口面積を負の負荷の大きさに応じて制御することでメータアウト圧力損失の低減を図っていたのに対して、本実施の形態では、制御弁３１内のメータアウト絞り２３ａの開口面積とメータアウト制御弁５２内のメータアウト絞り５２ａの開口面積の合計値を負の負荷の大きさに応じて制御することでメータアウト圧力損失の低減を図っている点が主な特徴である。本実施の形態では、負の負荷の大きさに応じてメータアウト絞り５２ａの開口面積を変更することで２つの絞り２３ａ，５２ａの開口面積の合計値を制御している。

本実施の形態におけるメータアウト絞り５２ａおよびメータアウト絞り２３ａの開口面積特性、つまりメータアウト制御弁５２および制御弁３１のストローク（スプール位置）と開口面積との関係を図７に示す。図中、実線Ａがメータアウト制御弁５２にアームクラウドパイロット圧が与えられたときのメータアウト絞り５２ａの開口面積特性を示し、破線Ｂが制御弁３１にアームクラウドパイロット圧が与えられたときのメータアウト絞り２３ａの開口面積特性を示している。点線Ｃは、メータアウト絞り５２ａ及びメータアウト絞り２３ａの合計開口面積特性を示している。

本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態は、その特徴的構成として、アームシリンダ４のボトム側油室の圧力を検出する圧力センサ４１と、アームシリンダ４のロッド側油室の圧力を検出する圧力センサ４２と、パイロット弁６より出力されるアームクラウドパイロット圧を検出する圧力センサ４３と、メータアウト分岐ライン５１に配置されるメータアウト制御弁５２と、メータアウト制御弁５２のスプール位置の切換えを行う電磁比例弁５３と、圧力センサ４１、圧力センサ４２および圧力センサ４３の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、電磁比例弁５３に指令電流を出力するコントローラ４５を有している。

次に、本実施の形態におけるコントローラの処理内容を図８を用いて説明する。図８は本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態を構成するコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。図８において、図１乃至図７に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

コントローラ４５は、アームシリンダ負荷演算部４５ａと、第３メータアウト開口演算部４５ｇと、第４メータアウト開口演算部４５ｈと、シリンダ圧力センサ故障検出部４５ｄと、出力選択部４５ｅと、ソレノイド電流演算部４５ｆとを備えている。アームシリンダ負荷演算部４５ａとシリンダ圧力センサ故障検出部４５ｄと出力選択部４５ｅとソレノイド電流演算部４５ｆとは、第１の実施の形態と同一のため説明は省略する。また、第３メータアウト開口演算部４５ｇと第４メータアウト開口演算部４５ｈとは、そのテーブル設定のみが第１の実施の形態と異なっている。

第３メータアウト開口演算部４５ｇのテーブルには、アームクラウドパイロット圧の増加に伴ってメータアウト絞り５２ａの目標開口面積を増加させる特性が設定されていて、実線で示す特性Ａは、アームシリンダ負荷演算部４５ａで算出したアームシリンダ４の負荷信号が正のときにおける、アームクラウドパイロット圧に応じたメータアウト絞り５２ａの目標開口面積信号の特性（最大値）を示す。この特性は、負荷信号が正であれば、その大きさには依存しない。一方、破線で示す特性Ｂは、アームシリンダ負荷演算部４５ａで算出したアームシリンダ４の負荷信号が負であってその絶対値が最大のときにおける、アームクラウドパイロット圧に応じたメータアウト絞り５２ａの目標開口面積信号の特性（最小値）を示す。

第４メータアウト開口演算部４５ｈのテーブルには、アームクラウドパイロット圧の増加に伴ってメータアウト絞り５２ａの目標開口面積を増加させる特性が設定されていて、このテーブルにおける特性は、第３メータアウト開口演算部４５ｇの特性Ｂと同じであり、アームクラウドパイロット圧に応じたメータアウト絞り５２ａの目標開口面積信号の特性（最小値）を示す。

次に、本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態の動作を図９及び図１０を用いて説明する。図９は本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とアームシリンダに作用する負荷との関係を示す特性図、図１０は本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とメータアウト絞り５２ａの目標開口面積との関係を示す特性図である。

まず、圧力センサ４１及び４２が正常状態にある場合の動作について説明する。圧力センサ４１及び４２が正常状態にあるとき、シリンダ圧力センサ故障検出部４５ｄからは、出力選択部４５ｅへ切換信号が出力されないので、第３メータアウト開口演算部４５ｇで算出された目標開口面積が出力選択部４５ｅからソレノイド電流演算部４５ｆへ出力し、ソレノイド電流演算部４５ｆは入力値に応じたソレノイド電流値を算出して電磁比例弁５３を制御する。

図９において、実線で示す特性Ａは、標準バケットを装着した場合のアームシリンダ４の負荷を示し、破線で示す特性Ｂは、標準バケットより重いアタッチメントを装着した場合のアームシリンダ４の負荷を示す。いずれの場合も、アーム角度が０度（水平）に近い状態では、アーム３１２とアタッチメントの重量によってアームシリンダ負荷は負の負荷となるが、アーム角度が鉛直に近づくにつれて負の負荷の絶対値は減少し、鉛直付近で正の負荷となる。

このときのアーム角度とコントローラ４５の第３メータアウト開口演算部４５ｇで算出されるメータアウト絞り５２ａの目標開口面積信号との関係を図１０に示す。図１０において、実線で示す特性Ａは、標準バケットを装着した場合のメータアウト絞り５２ａの目標開口面積を示し、破線で示す特性Ｂは、標準バケットより重いアタッチメントを装着した場合のメータアウト絞り５２ａの目標開口面積を示す。

標準バケットを装着した場合には、アーム角度が０度（水平）に近い状態では、メータアウト絞り５２ａの目標開口面積は絞られているが、アーム角度が鉛直に近づくにつれて増加し、最大値になる。また、標準バケットより重いアタッチメントを装着した場合には、アーム角度が０度（水平）に近い状態では、メータアウト絞り５２ａの目標開口面積は最小値となるが、アーム角度が鉛直に近づくにつれて増加し、最大値になる。これにより、メータアウト絞り５２ａ及び２３ａの開口面積の合計値を図７における破線Ｂから点線Ｃで示す範囲で変化させている。

このように、本実施の形態においては、アームシリンダ４の負荷に応じてメータアウト絞り５２ａ及び２３ａの開口面積の合計値を変化させるので、第１の実施の形態と同様に、メータアウト圧力損失を低減することができ、エネルギーロスも低減できる。

次に、圧力センサ４１，４２のいずれか一方、またはその両方に故障あるいは異常状態が生じた場合について説明する。
圧力センサ４１または４２、あるいはその両方が故障あるいは異常状態にあるとき、シリンダ圧力センサ故障検出部４５ｄからは、出力選択部４５ｅへ切換信号が出力され、第４メータアウト開口演算部４５ｈで算出された目標開口面積が出力選択部４５ｅからソレノイド電流演算部４５ｆへ出力し、ソレノイド電流演算部４５ｆは入力値に応じたソレノイド電流値を算出して電磁比例弁５３を制御する。

第４メータアウト開口演算部４５ｈのテーブルには、第３メータアウト開口演算部４５ｇの特性Ｂと同じアームクラウドパイロット圧に応じたメータアウト絞り５２ａの目標開口面積信号の特性（最小値）が設定されているので、アームシリンダ４に作用する負の負荷の絶対値が最大となる条件、例えば、重いアタッチメントを装着したアームが地面に対して水平に近い姿勢であっても、メータアウト絞り５２ａの開口面積が負の負荷を支持するのに必要な開口面積まで低減されるため、息継ぎ現象が生じることはない。

このように、圧力センサ４１，４２のいずれか一方、またはその両方に故障あるいは異常状態が生じたときには、操作レバー３６の操作量に基づいてメータアウト絞り５２ａの開口面積を制御するので、アームシリンダ４に負の負荷が作用する際の操作性の悪化を防止できる。

上述した本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明を油圧ショベルのアームシリンダ４の弁装置に適用した場合を例に各実施の形態を説明したが、これに限るものではない。例えば、油圧ショベルのバケットクラウド操作においても、同様の問題があり、本発明をバケットシリンダの弁装置に適用しても良い。この場合、例えば、図２，６に示す油圧回路でアームシリンダ４をバケットシリンダに、アーム用の制御弁３１をバケット用の制御弁に、アーム用の操作レバー装置６をバケット用の操作レバー装置にそれぞれ置き換えれば良い。

また、本発明は、油圧アクチュエータに大小様々な負の負荷が作用するものであれば、油圧ショベルのアームシリンダやバケットシリンダ以外の油圧アクチュエータの弁装置、あるいは油圧ショベル以外の建設機械（例えば、ホイールローダ、クレーン等）の油圧アクチュエータの弁装置にも同様に適用可能である。

また、本発明は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

１ 原動機
２ 油圧ポンプ
２ａ 押しのけ容積可変部材（斜板）
２ｂ 馬力制御アクチュエータ
３ 吐出ライン
４ アームシリンダ
５ 弁装置
６ パイロット弁
２１ センタバイパス部
２２ａ メータイン絞り
２２ｂ メータイン絞り
２３ａ メータアウト絞り
２３ｂ メータアウト絞り
３１ 制御弁
３１ｅ，ｆ 受圧部
３２ センタバイパスライン
３３ タンク
３４，３５ アクチュエータライン
３６ 操作レバー
３７ パイロット圧発生部
３８，３９ パイロットライン
４１ 圧力センサ
４２ 圧力センサ
４３ 圧力センサ
４４ 電磁比例弁
４５ コントローラ
４５ａ アームシリンダ負荷演算部
４５ｂ 第１メータアウト開口演算部
４５ｃ 第２メータアウト開口演算部
４５ｄ シリンダ圧力センサ故障検出部
４５ｅ 出力選択部
４５ｆ ソレノイド電流演算部
４５ｇ 第３メータアウト開口演算部
４５ｈ 第４メータアウト開口演算部
５１ 分岐ライン
５２ メータアウト制御弁
５２ａ メータアウト絞り
５２ｂ 受圧部
５３ 電磁比例弁
５４ 信号圧ライン
３００ 作業装置
３１２ アーム
３１４ バケット（アタッチメント）
３１５ バケットシリンダ

Claims (5)

1. 油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧アクチュエータと、
   前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れる少なくとも１つのメータアウト流路と、
   前記少なくとも１つのメータアウト流路にそれぞれ設けられた少なくとも１つの可変絞りと、
   前記油圧アクチュエータの動作指令信号を操作量に応じて出力する操作装置と、
   前記操作装置の操作量を検出する操作量検出器と、
   外力により前記油圧アクチュエータに加えられる負荷であって、前記油圧アクチュエータの動作方向と同じ方向の負荷である負の負荷の大きさを検出する負荷検出器と、
   前記負荷検出器の故障あるいは異常状態を検出する負荷異常検出器と、
   前記負荷異常検出器が前記負荷検出器の故障あるいは異常状態を検出しないときには、前記少なくとも１つのメータアウト流路にそれぞれ設けられた前記少なくとも１つの可変絞りの開口面積の合計値を、前記負荷検出器により検出される負の負荷の大きさの増加と前記操作量検出器により検出される操作量とに応じて低減し、
   前記負荷異常検出器が前記負荷検出器の故障あるいは異常状態を検出したときには、前記少なくとも１つの可変絞りの開口面積の合計値を、前記操作量検出器により検出される操作量に応じて予め定めた値まで低減する制御装置とを備える
   ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
2. 請求項１に記載の建設機械の油圧制御装置において、
   前記負荷検出器により検出される負の負荷の大きさの増加に応じて前記少なくとも１つの可変絞りの開口面積の合計値が前記制御装置により変化される範囲には、前記操作装置の操作量ごとに上限値と下限値が存在し、
   前記負荷異常検出器が前記負荷検出器の故障あるいは異常状態を検出したときには、前記少なくとも１つの可変絞りの開口面積の合計値を前記操作装置の操作量ごとに存在する下限値に低減する
   ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
3. 請求項１または２に記載の建設機械の油圧制御装置において、
   前記油圧アクチュエータに対する前記圧油の給排をスプール位置に応じて制御する制御弁をさらに備え、
   前記少なくとも１つのメータアウト流路は、前記油圧アクチュエータが前記負の負荷と同じ方向に動作するときに前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れる流路であって、前記制御弁内を通過する第１流路であり、
   前記少なくとも１つの可変絞りは、前記第１流路における前記制御弁内に設けられた第１可変絞りであり、
   前記制御装置は、前記負荷検出器により検出される負の負荷の大きさの増加と前記操作量検出器により検出される操作量に応じて前記制御弁のスプール位置を変更することで前記第１可変絞りの開口面積を低減する
   ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
4. 請求項１または２に記載の建設機械の油圧制御装置において、
   前記油圧アクチュエータに対する前記圧油の給排をスプール位置に応じて制御する制御弁をさらに備え、
   前記少なくとも１つのメータアウト流路は、
   前記油圧アクチュエータが前記負の負荷と同じ方向に動作するときに前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れる流路であって、前記制御弁内を通過する第１流路と、
   前記油圧アクチュエータが前記負の負荷と同じ方向に動作するときに前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れる流路である第２流路とであり、
   前記少なくとも１つの可変絞りは、
   前記第１流路における前記制御弁内に設けられ、前記操作装置の操作量の増加に応じて開口面積が増加する第１可変絞りと、
   前記第２流路に設けられ、油圧源から出力されるパイロット圧の増加に応じて開口面積が増加する第２可変絞りとであり、
   前記制御装置は、前記負荷検出器により検出される負の負荷の大きさの増加と前記操作量検出器により検出される操作量に応じて前記第２可変絞りの開口面積を低減することで、前記第１可変絞りと前記第２可変絞りの開口面積の合計値を低減する
   ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の建設機械の油圧制御装置において、
   前記油圧アクチュエータは、油圧ショベルのアームを駆動するアームシリンダ、あるいはバケットを駆動するバケットシリンダである
   ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。

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