JP2017116075A - 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が変化しても、操作性を悪化させることなく、かつ高い省エネルギ効果が得られる建設機械の油圧制御装置を提供する。
【解決手段】アームを駆動する油圧アクチュエータと、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、操作装置と、可変絞りの開口面積を制御するコントローラとを備えた建設機械の油圧制御装置において、アームが水平方向となす角度を演算する姿勢演算部と、アームが水平方向となす角度とその時間変化量に応じて可変絞りの開口面積を、演算するメータアウト開口面積演算部と、メータアウト開口演算部で演算した可変絞りの開口面積に応じて、可変絞りの開口面積を調整するための電磁弁に指令信号を出力するメータアウト制御部とを備えた。
【選択図】 図２

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の油圧制御装置は、一般に、油圧ポンプと、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、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を備えている。例えば、油圧ショベルの油圧アクチュエータは、フロント作業機のブームを駆動するブームシリンダと、アームを駆動するアームシリンダと、バケットを駆動するバケットシリンダ等であって、それぞれの油圧アクチュエータに対応する制御弁が設けられている。

また、これらの制御弁は、それぞれメータイン絞りとメータアウト絞りを備え、メータイン絞りにより油圧ポンプから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。

ところで、フロント作業機に装着されるアタッチメントは、標準バケットの他に、大型バケット、破砕機、小割機等があるが、これらは、標準バケットより大重量の物が多い。このため、開発時に標準バケットを装着した状態を想定してメータアウト絞りの開口面積を調整すると、ユーザが標準バケットの代わりに大重量のアタッチメントを装着した場合に以下の問題が生じる。

アタッチメントを装着したアームを空中で引き込む、すなわちクラウドするとき、アームとアタッチメントの重量によってアームシリンダに加えられる負荷であって、アームシリンダの伸長方向と同じ方向の負荷（以後、負の負荷という）は、標準バケットを装着した状態よりも増加する。このことにより、アームシリンダの動作速度が標準バケットを装着した状態よりも速くなったり、メータイン側の圧油の流量が不足することによって息継ぎ現象（キャビテーション）が発生したりすることが想定される。この結果、建設機械の操作性が悪化する。なお、息継ぎ現象は、油圧アクチュエータや制御弁の損傷の原因になることがある。

このような問題の発生を防止するため、一般的には、メータアウト絞りの開口面積は、大重量のアタッチメントを装着した状態を想定して調整されている。しかし、このようにメータアウト絞りの開口面積を調整した建設機械で、標準バケットを装着して作業を行う場合には、メータアウト側に、アームと標準バケットの重量による負の負荷を支持するのに必要なメータアウト圧損よりも、高いメータアウト圧損が生じ、建設機械のエネルギ損失の原因となっている。

このような問題を解決するために、アーム用流量制御弁のアームシリンダ伸長側のパイロット圧受圧部に作用するパイロット圧を、アームシリンダに供給される圧油の圧力に応じて減圧する減圧手段を設け、空中でアームクラウド操作を行った場合にアーム用流量制御弁のスプールのストロークを規制し、メータアウト絞りの開口面積を減少させ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２０１２−３６６６５号公報

上述した油圧回路においては、アームシリンダの伸長速度が上昇して、アーム用流量制御弁のメータイン側の圧力が低下すると、アームシリンダ伸長側のパイロット圧受圧部に作用するパイロット圧を減圧して、メータアウト絞りの開口面積を減少させる。このことにより、メータアウト側の圧力を上昇させ、その結果、アームシリンダの伸長速度が低下する。

しかしながら、上述した油圧回路は、メータイン側の実際の圧力と設定圧力とを比較して制御するいわゆるオンオフ制御のため、以下の課題が生じる虞がある。メータアウト絞りの開口面積を減少させてアームシリンダの伸長速度を低下させると、これに伴い、メータイン側の圧力が上昇するので、アームシリンダ伸長側のパイロット圧受圧部に作用するパイロット圧の減圧制御が解除される。このことにより、アームシリンダの伸長速度が再び上昇する。このような動作を繰り返すことで、操作性の悪化を招いてしまう。

また、負の負荷を支持するために必要なロッド側油室の圧力、すなわちメータアウト圧損は、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のに高いロッド側油室の圧力が必要になるのに対し、アームシリンダが伸長して、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油室の圧力で負の負荷を支持することができる。

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が変化しても、操作性を悪化させることなく、かつ高い省エネルギ効果が得られる建設機械の油圧制御装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、油圧ポンプから吐出される圧油によりアームを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に設けられた可変絞りと、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、前記可変絞りの開口面積を制御するコントローラとを備えた建設機械の油圧制御装置において、前記コントローラは、前記アームが水平方向となす角度を演算する姿勢演算部と、前記姿勢演算部が演算した前記アームが水平方向となす角度と、その時間変化量に応じて、前記メータアウト流路に設けられた前記可変絞りの開口面積を演算するメータアウト開口面積演算部と、前記メータアウト開口演算部で演算した前記可変絞りの開口面積に応じて、前記可変絞りの開口面積を調整するための電磁弁に指令信号を出力するメータアウト制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、アーム又はバケットの水平方向となす角度を検出し、その時間変化量に応じてメータアウト絞りの開口面積を制御するので、油圧アクチュエータに作用する負の負荷が変化しても、操作性を悪化させることなく、かつ高い省エネルギ効果が得られる。

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の実施の形態のうち油圧ショベルのアームシリンダに関わる油圧回路部分を模式的に示す概略図である。 本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態における、メータアウト絞り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の実施の形態を備えた油圧ショベルのフロント機構を模式的に示す概略図である。 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の実施の形態のうち油圧ショベルのアームシリンダに関わる油圧回路部分を模式的に示す概略図である。 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。 従来の建設機械の油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに関わる油圧回路部分を模式的に示す概略図である。

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を備えた下部走行体３０３と、下部走行体３０３の上部に旋回可能に設けた上部旋回体３０４と、一端が上部旋回体３０４に連結された多関節型のフロント機構３００とを備えている。

下部走行体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。上部旋回体３０４の前方左側には操作レバー（操作装置）３６（図２参照）が格納された運転室３０５が設置されている。上部旋回体３０４前方中央部にはフロント機構３００が取り付けられている。

フロント機構３００は、上部旋回体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５２と、５２の先端に前後方向に揺動自在に取り付けられたアーム５１と、アーム５１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５３を備えている。

また、フロント機構３００は、ブームフートと５２に連結され、ブーム５２を上下方向に揺動させる油圧アクチュエータのブームシリンダ１２と、ブーム５２とアーム５１とに連結され、アーム５１を上下方向に揺動させる油圧アクチュエータのアームシリンダ１１と、アーム５１と作業具５３とに連結され、バケット５３を上下方向に回動させる油圧アクチュエータのバケットシリンダ１３とを有している。すなわち、フロント機構３００はこれら各油圧アクチュエータ１１，１２，１３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の実施の形態のうち油圧ショベルのアームシリンダに関わる油圧回路部分を模式的に示す概略図である。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１１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流量制御弁３１を有する弁装置４と、アーム用の操作レバー装置であるパイロット弁５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。

流量制御弁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、流量制御弁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１１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５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を介して流量制御弁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。

ここで、流量制御弁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１１のボトム側油室に圧油が供給されて、アームシリンダ１１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１１のロッド側油室に圧油が供給されて、アームシリンダ１１のピストンロッドが収縮する。アームシリンダ１１のピストンロッドの伸長はアームクラウド動作に対応し、アームシリンダ１１のピストンロッドの収縮はアームダンプ動作に対応する。

また、流量制御弁３１は、メータイン絞り２２ａ，２２ｂとメータアウト絞り２３ａ，２３ｂを有している。流量制御弁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１１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１１からの戻り油の流量を制御する。一方、流量制御弁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１１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１１からの戻り油の流量を制御する。

図３は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態における、メータアウト絞り２３ａの開口面積特性を示す特性図である。具体的には、受圧部３１ｅに作用するパイロット圧、すなわちアームクラウドパイロット圧に対するメータアウト絞り２３ａの開口面積特性を示す。図中、実線Ａが本実施の形態における開口面積特性を示し、破線Ｂが従来例の開口面積特性を示す。同じアームクラウドパイロット圧が供給された場合、本実施の形態における開口面積は、従来例の開口面積よりも、大きく設定されている。

図２に戻り、パイロットライン３８には、パイロット弁５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、パイロット弁５より出力されるアームクラウドパイロット圧を調整して受圧部３１ｅに供給する電磁比例弁４４が設けられている。圧力センサ４３が検出したアームクラウドパイロット圧信号は、後述するコントローラ４５に入力され、電磁比例弁４４には、コントローラ４５から指令信号が出力される。

また、上部旋回体に支持されているブーム５２の基端部には、ブーム５２の回動角度を検出するブーム角度センサ４２が設けられ、アーム５１の一端側が回転可能に支持されているブーム５２の先端部には、アーム５１の回動角度を検出するアーム角度センサ４１が設けられている。これらの角度センサ４２，４１が検出した回動角度信号はコントローラ４５に入力される。

本実施の形態の油圧制御装置は、その特徴的構成として、アーム５１の回動角度を検出するアーム角度センサ４１と、ブーム５２の回動角度を検出するブーム角度センサ４２と、パイロット弁５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、アーム角度センサ４１とブーム角度センサ４２と圧力センサ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を備えている。

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４、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、図５は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルのフロント機構を模式的に示す概略図である。図４及び図５において、図１乃至３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の説明に先立って、本実施の形態におけるフロント機構を構成するブーム５２、アーム５１等の角度や構成物の長さを図５に示すように定義する。図５において、θ_Ａは、アーム５１の回動角度であって、アーム５１がブーム５２となす角度をいい、θ_A’は、アーム５１が水平方向となす角度をいう。θ_Bは、ブーム５２の回動角度であって、ブーム５２がブーム取付面となす角度をいい、θ_B’は、ブーム５２が水平方向となす角度をいう。また、θ_Fは、ブーム５２およびブームシリンダ１２の取付面が水平方向となす角度をいう。

次に、各構成物の長さについて、Ｌ_A１は、アーム５１の回動中心からアーム５１とアームシリンダ１１先端の接合部までの間の距離をいう。Ｌ_A２は、アーム５１の回動中心からブーム５２とアームシリンダ１１基端の接合部までの間の距離をいう。Ｌ_A３は、アームシリンダ１１の全長であって、ブーム５２とアームシリンダ１１基端の接合部からアームシリンダ１１の先端までの間の距離をいう。同様に、Ｌ_B１は、ブーム５２の回動中心からブームシリンダ１２基端と取付面との接合部までの間の距離をいう。Ｌ_B２は、ブーム５２の回動中心からブーム５２とブームシリンダ１２先端の接合部までの間の距離をいう。Ｌ_B３は、ブームシリンダ１２の全長であって、ブームシリンダ１２基端と取付面との接合部からブーム５２とブームシリンダ１２先端の接合部までの間の距離をいう。

図４に戻り、コントローラ４５は、姿勢演算部である角度及び角速度演算部４５ａと、メータアウト開口面積演算部であるメータアウト開口演算部４５ｂと、メータアウト制御部であるソレノイド電流演算部４５ｃとを備えている。

角度及び角速度演算部４５ａは、アーム角度センサ４１が検出したアーム５１の回動角度信号θ_Ａと、ブーム角度センサ４２が検出したブーム５２の回動角度信号θ_Ｂとを入力し、これらの値からアーム５１が水平方向となす角度（以下、アーム角度ともいう）θ_Ａ’とアーム５１が回動する際の角速度（以下、アーム角速度ともいう）ω_Ａ’を算出する。

具体的には、以下に示す式を用いて、アーム角度θ_Ａ’とアーム角速度ω_Ａ’をそれぞれ演算する。
θ_Ａ’＝１８０°−θ_Ａ―θ_B’
＝１８０°−θ_Ａ−θ_B＋θ_F ・・・・・・・（１）
ω_Ａ’＝θ_Ａ’（ｔ＋Δｔ）−θ_Ａ’（ｔ）／Δｔ ・・・・・・・（２）
ここで、ｔは演算開始からの時間を示し、Δｔは演算の時間ステップを表す。

メータアウト開口演算部４５ｂは、角度及び角速度演算部４５ａが算出したアーム角度信号θ_Ａ’とアーム角速度信号ω_Ａ’と、操作装置の操作量信号である圧力センサ４３が検出したアームクラウドパイロット圧信号とを入力し、図４中に示したテーブルを用いてアーム角度θ_Ａ’とアーム角速度ω_Ａ’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、ソレノイド電流演算部４５ｃへ出力される。

なお、ここでは、２つのテーブル４５ｂＨと４５ｂＬを備えているが、これは予め所定のアームクラウドパイロット圧を設定しておいて、入力したアームクラウドパイロット圧が設定値以上の場合には、テーブル４５ｂＨが選択され、それ以外の場合には、テーブル４５ｂＬが選択されるように構成されている。２つのテーブル４５ｂＨと４５ｂＬは、アーム角度θ_Ａ’に対するメータアウト絞り目標開口面積の特性が異なっていて、具体的には、上限値と下限値とが異なっている
メータアウト開口演算部４５ｂのテーブルは、いずれも、アーム角度θ_Ａ’がおよそ９０°以下、すなわちアームシリンダ１１に負の負荷が作用するときに、アーム角速度ω_Ａ’が高くなるにしたがって、メータアウト絞り２３ａの目標開口面積を減少させるように特性設定されている。そして、アーム角度θ_Ａ’がおよそ９０°以上、すなわち、正の負荷が作用するときには、アーム角速度ω_Ａ’によらず、メータアウト絞り２３ａの目標開口面積を最大値とするように特性設定されている。これらは、上述したように、操作装置の操作量信号であるアームクラウドパイロット圧によって、異なるテーブルを選択しているが、テーブルは２つに限るものではなく、それ以上のテーブルを備えて、アームクラウドパイロット圧ごとに細かい選択がなされるようにしても良い。

ソレノイド電流演算部４５ｃは、メータアウト開口演算部４５ｂで算出されたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号を入力し、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６、７及び１０を用いて従来例と比較して説明する。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７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２３ａの目標開口面積との関係を示す特性図、図１０は従来の建設機械の油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに関わる油圧回路部分を模式的に示す概略図である。図６、７及び１０において、図１乃至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。

図１０に示す従来の油圧制御装置は、本実施の形態における油圧制御装置と比較すると、アーム角度センサ４１とブーム角度センサ４２と圧力センサ４３と電磁比例弁４４とコントローラ４５とが設けられていない。

従来の油圧制御装置において、アーム５１を地面より上、すなわち空中でクラウドするために、アーム用の流量制御弁３１を図１０のＢ位置に切り換えたとする。このとき、流量制御弁３１はアームシリンダ１１の戻り油をメータアウト絞り２３ａにより制御することで、アームシリンダ１１の速度制御をすると共に、アーム５１の自由落下による息継ぎ現象（キャビテーション）を防止している。

つまり、メータアウト側を絞ることで、アームシリンダ１１のロッド側油室の圧力を上昇させ、アーム５１とアタッチメント５３の重量による負の負荷に抗するために必要な推力を発生させている。これにより、アーム５１に大重量のアタッチメント５３を装着しても、アームシリンダ１１の速度が標準バケットを装着した状態よりも速くなったり、息継ぎ現象が発生したりすることがない。

しかしながら、標準バケットを装着して作業を行う場合、アーム５１とアタッチメント５３の重量による負の負荷に対して、アームシリンダ１１のロッド側油室の圧力が高いため、アームシリンダ１１の推力を負荷に見合った大きさとするには、油圧ポンプ２からアームシリンダ１１のボトム側油室へ圧油を供給することで、ボトム側油室の圧力を上昇させなければならない。このことにより、エネルギロスの原因となる。

以上のような、従来技術に対して、本実施の形態では、以下の様に動作する。本実施の形態におけるアーム５１を空中で水平に近い角度から鉛直までクラウドするときのアーム角度θ_Ａ’とアームシリンダ１１に作用する負荷の関係を示す図６において、横軸に示すアーム角度とは、水平面に対するアーム５１の角度であって、アーム５１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１１を伸ばして図１中の反時計回りにアーム５１を回動させてアーム５１が水平面に対して鉛直に保持された状態を９０度とする。図中、実線Ａがアタッチメントとして標準バケットを装着した場合にアームシリンダ１１に作用する負荷のアーム角度θ_Ａ’に対する特性を示し、破線Ｂが標準バケットより重い大重量アタッチメントを装着した場合にアームシリンダ１１に作用する負荷のアーム角度θ_Ａ’に対する特性を示している。

いずれの場合も、アーム角度θ_Ａ’が０度に近い状態では、アーム５１とアタッチメント５３の重量による負の負荷の最大値が作用するが、大重量アタッチメントを装着した場合の方が、負の負荷は大きくなる。いずれの場合も、アーム角度θ_Ａ’の増加に伴って負の負荷は減少し、およそ９０°で正の負荷となる。

このときのアーム角度θ_Ａ’とコントローラ４５の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７に示す。図７において、実線Ａは、アタッチメント５３として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Ｂは、標準バケットより重いアタッチメント５３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。

いずれの場合も、アーム角度θ_Ａ’が０度に近い状態では、メータアウト絞り目標開口面積は、最小値まで狭まれている。メータアウト開口演算部４５ｂにおいては、負の負荷が大きくなるにしたがって、換言すると、アーム角速度ω_Ａ’が高くなるにしたがって、メータアウト絞り２３ａの目標開口面積を減少させる特性としているので、大重量のアタッチメント５３を装着した場合の方がメータアウト絞り目標開口面積は小さくなる。アーム角度θ_Ａ’の増加と共にメータアウト絞り目標開口面積も増加し、およそ９０°で最大値となる。

従来の油圧制御装置の場合では、メータアウト絞り２３ａの開口面積は、図７に示す破線Ｂの最小値に相当する開口面積で一定であったのに対し、本実施の形態においては、アーム角度θ_Ａ’と、その時間変化量であるアーム角速度ω_Ａ’に応じて、メータアウト絞り２３ａの開口面積を変化させているので、従来例よりもメータアウト圧損が低減され、エネルギロスも低減される。さらに、上述の動作は、アームクラウドパイロット圧に応じて上限値と下限値とが調整されるので、操作レバーの操作量によらず、エネルギロス低減効果を得ることができる。

なお、上述した実施形態は、本発明を油圧ショベルのアームシリンダの弁装置に適用した場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、バケットクラウド操作を行う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に示す油圧回路部分でアームシリンダをバケットシリンダに置換し、アーム用流量制御弁をバケット用流量制御弁に置換し、アーム用操作レバー装置をバケット用操作レバー装置に置換すればよい。

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、アーム又はバケットの水平方向となす角度を検出し、その時間変化量に応じてメータアウト絞りの開口面積を制御するので、油圧アクチュエータに作用する負の負荷が変化しても、操作性を悪化させることなく、かつ高い省エネルギ効果が得られる。

また、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、アーム角度θ_Ａ’と、その時間変化量であるアーム角速度ω_Ａ’と、アームクラウドパイロット圧に応じて、メータアウト絞り２３ａの開口面積を制御するので、油圧アクチュエータに負の負荷が作用するときの息継ぎ現象が防止され、高い省エネルギ効果を得ることができる。

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の実施の形態のうち油圧ショベルのアームシリンダに関わる油圧回路部分を模式的に示す概略図、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及び図９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。

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、制御回路及び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、ブーム角度センサ４２とアーム角度センサ４１を備えず、それらに代替するものとして、アームシリンダ１１のロッドの伸縮量を検出するアームシリンダ変位センサ４６と、ブームシリンダ１２のロッドの伸縮量を検出するブームシリンダ変位センサ４７とを備えている点が異なる。

アームシリンダ変位センサ４６は、図８に示すように、アームシリンダ１１のシリンダ外側部に設けられ、ブームシリンダ変位センサ４７は、ブームシリンダ１２の外側部に設けられている。これらの変位センサ４７，４６が検出した変位量信号はコントローラ４５に入力される。

第１の実施の形態では、ブーム角度センサ４２とアーム角度センサ４１が検出したブーム回動角度θ_Ｂとアーム回動角度θ_Ａとを基に、アーム角度θ_Ａ’とアーム角速度ω_Ａ’を演算して、これらとアームクラウドパイロット圧を基にメータアウト絞り目標開口面積を算出したのに対して、本実施の形態では、アームシリンダ変位センサ４６とブームシリンダ変位センサ４７が検出したアームシリンダ変位量Ｌ_Ａ３とブームシリンダ変位量Ｌ_Ｂ３とを基に、アーム角度θ_Ａ’とアーム角速度ω_Ａ’を演算して、これらとアームクラウドパイロット圧を基にメータアウト絞り目標開口面積を算出する点が主な特徴である。

図９に示す本実施の形態のコントローラ４５は、姿勢演算部である角度及び角速度演算部４５ｄと、メータアウト開口面積演算部であるメータアウト開口演算部４５ｂと、メータアウト制御部であるソレノイド電流演算部４５ｃとを備えている。

角度及び角速度演算部４５ｄは、アームシリンダ変位センサ４６が検出したアームシリンダ変位量Ｌ_Ａ３と、ブームシリンダ変位センサ４７が検出したブームシリンダ変位量Ｌ_Ｂ３とを入力し、これらの値からアーム５１が水平方向となす角度（以下、アーム角度ともいう）θ_Ａ’とアーム５１が回動する際の角速度（以下、アーム角速度ともいう）ω_Ａ’を算出する。

具体的には、第１の実施の形態における式（１）と式（２）を用いて、アーム角度θ_Ａ’とアーム角速度ω_Ａ’をそれぞれ演算するが、式（１）と式（２）におけるアーム５１の回動角度θ_Ａとブーム５２の回動角度θ_Ｂとを以下の式（３）と式（４）で演算する。
θ_Ａ＝ＣＯＳ^−１（（Ｌ^２ _Ａ３−Ｌ^２ _Ａ１−Ｌ^２ _Ａ２）／２Ｌ_Ａ１Ｌ_Ａ２）・・・（３）
θ_Ｂ＝ＣＯＳ^−１（（Ｌ^２ _Ｂ１＋Ｌ^２ _Ｂ２−Ｌ^２ _Ｂ３）／２Ｌ_Ｂ１Ｌ_Ｂ２）・・・（４）
ここで、Ｌ_Ａ１〜Ｌ_Ａ３及びＬ_Ｂ１〜Ｌ_Ｂ３は、図５に示す各構成物の長さである。

メータアウト開口演算部４５ｂのテーブルは、いずれも、アーム角度θ_Ａ’がおよそ９０°以下、すなわちアームシリンダ１１に負の負荷が作用するときに、アーム角速度ω_Ａ’が高くなるにしたがって、メータアウト絞り２３ａの目標開口面積を減少させるように特性設定されている。そして、アーム角度θ_Ａ’がおよそ９０°以上、すなわち、正の負荷が作用するときには、アーム角速度ω_Ａ’によらず、メータアウト絞り２３ａの目標開口面積を最大値とするように特性設定されている。これらは、上述したように、アームクラウドパイロット圧によって、異なるテーブルを選択しているが、テーブルは２つに限るものではなく、それ以上のテーブルを備えて、アームクラウドパイロット圧に応じた更に細かい選択がなされても良い。この構成は第１の実施の形態と同様である。

ソレノイド電流演算部４５ｃは、メータアウト開口演算部４５ｂで算出されたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積信号を入力し、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。この構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、アームシリンダ１１及びブームシリンダ１２の伸縮量からアーム角度θ_Ａ’及びアーム角速度ω_Ａ’を演算することで、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

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、本発明の実施の形態は、油圧ショベルのアームシリンダの弁装置に適用した場合を例に説明したが、これに限るものではない。本発明は、油圧シリンダに大小さまざまな重量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シリンダ、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、クレーン等の油圧シリンダの弁装置にも同様に適用可能である。

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：弁装置、５：パイロット弁（操作レバー装置）、１１：アームシリンダ、１２：ブームシリンダ、２１：センタバイパス部、２２ａ，２２ｂ：メータイン絞り、２３ａ，２３ｂ：メータアウト絞り、３１：流量制御弁、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：アーム角度センサ、４２：ブーム角度センサ、４３：圧力センサ、４４：電磁比例弁（電磁弁）、４５：コントローラ、４６，４７：シリンダ変位センサ、５１：アーム、５２：ブーム、５３：アタッチメント（バケット）、３００：フロント機構、３０１：油圧ショベル、３０３：下部走行体、３０４：上部旋回体

Claims (4)

1. 油圧ポンプから吐出される圧油によりアームを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に設けられた可変絞りと、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、前記可変絞りの開口面積を制御するコントローラとを備えた建設機械の油圧制御装置において、
   前記コントローラは、前記アームが水平方向となす角度を演算する姿勢演算部と、
   前記姿勢演算部が演算した前記アームが水平方向となす角度と、その時間変化量に応じて、前記メータアウト流路に設けられた前記可変絞りの開口面積を演算するメータアウト開口面積演算部と、
   前記メータアウト開口面積演算部で演算した前記可変絞りの開口面積に応じて、前記可変絞りの開口面積を調整するための電磁弁に指令信号を出力するメータアウト制御部とを備えた
   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、
   前記操作装置の操作量を検出する操作量検出装置を備え、
   前記メータアウト開口面積演算部は、前記操作量検出装置が検出した前記操作装置の操作量を読み込み、前記操作装置の操作量ごとに、前記メータアウト流路に設けられた前記可変絞りの開口面積を、前記姿勢演算部が演算した前記アームが水平方向となす角度と、その時間変化量に応じて演算する
   ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
3. 請求項１に記載の建設機械の油圧制御装置において、
   前記建設機械は、下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に設けた上部旋回体と、前記上部旋回体に回動可能に接続され、ブームと前記アームとを備えた多関節型のフロント機構と、前記上部旋回体に対するブームの回動角度を検出するブーム角度センサと、前記ブームに対する前記アームの回動角度を検出するアーム角度センサとを備え、
   前記姿勢演算部は、前記ブーム角度センサ、及び前記アーム角度センサが検出した回動角度を基に、前記アームが水平方向となす角度を演算する
   ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
4. 請求項１に記載の建設機械の油圧制御装置において、
   前記建設機械は、下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に設けた上部旋回体と、前記上部旋回体に回動可能に接続され、ブームと前記アームとを備えた多関節型のフロント機構と、前記ブームを駆動するブーム用油圧シリンダと前記アームを駆動するアーム用油圧シリンダと、前記ブーム用油圧シリンダの変位を検出するブームシリンダ変位センサと、前記アーム用油圧シリンダの変位を検出するアームシリンダ変位センサとを備え、
   前記姿勢演算部は、前記ブームシリンダ変位センサ、及び前記アームシリンダ変位センサが検出した変位を基に、前記アームが水平方向となす角度を演算する
   ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。

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