JP2018044305A - 油圧ショベル - Google Patents

Abstract

【課題】油圧シリンダのストロークエンドにおける精度の高い速度制御の実現。【解決手段】本発明に係る油圧ショベルに備えたストロークエンド緩衝装置は、アーム３の鉛直面内における姿勢を検出する角度検出部９と、アーム３に掛かる負荷を検出する負荷検出部、すなわちアームシリンダ６のボトム圧を検出するボトム圧検出部１０及びロッド圧を検出するロッド圧検出部１１と、操作装置１２の操作方向を検出する操作方向検出部１２ａと、操作量を検出する操作量検出部１２ｂの信号から、アームシリンダ６がストロークエンドに近づくとき、コントローラ１５は、レギュレータ２１を介して可変容量ポンプ１３を、第一電磁弁１７，１８を介してコントロールバルブ１４をそれぞれ制御し、また第二電磁弁１６を介して再生弁１９を制御する構成にしてある。これらにより、アームシリンダ６のストロークエンドでの速度を低下させ、衝撃を緩和させることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、作業装置に含まれる油圧シリンダのストロークエンドにおける衝撃を緩和させるストロークエンド緩衝装置を備えた油圧ショベルに関する。

油圧ショベルにおいては、作業装置に含まれる油圧シリンダのストロークエンドにおける衝撃や、ブーム、アーム、バケットなどのフロント構造物を形成する作業具が互いに衝突する際における衝撃を防止するため、ストロークエンド直前あるいは構造物同士が衝突する直前でシリンダの伸縮速度を低下させて衝撃を防止する制御を行っている。この緩衝制御は運転室上のオペレータの乗り心地を向上させると同時に、構造物への悪影響を防止するために行われる。このような緩衝制御を行う従来技術の一例として特許文献１に、バケットの姿勢および速度を検出し、速度を減速させる制御が開示されている。

特開２０１３−１１３０３５号公報

特許文献１に開示された従来技術におけるように速度のみによる制御の場合には、シリンダストロークエンドにおける衝撃が各作業具の位置や積荷の重量により変化することから、衝撃を防止しきれない懸念があり、また逆に、衝撃を過剰に防止してしまう懸念がある。このようなことから、より精度の高いストロークエンド緩衝装置の実現が要望されていた。

本発明は、上記の問題点に鑑み、油圧シリンダのストロークエンドにおける精度の高い緩衝制御を実現させることができる油圧ショベルを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る油圧ショベルは、本体と、この本体に取り付けられ、作業具、及びこの作業具を作動させる油圧シリンダを含む作業装置と、前記油圧シリンダを操作する操作装置と、前記油圧シリンダのストロークエンドにおける衝撃を緩和させるストロークエンド緩衝装置とを備えた油圧ショベルにおいて、前記ストロークエンド緩衝装置は、前記作業具の鉛直面内における姿勢を検出する姿勢検出部と、前記作業具に掛かる負荷を検出する負荷検出部と、前記操作装置の操作方向を検出する操作方向検出部、及び前記操作装置の操作量を検出する操作量検出部と、前記姿勢検出部で検出された前記作業具の姿勢、前記負荷検出部で検出された前記作業具に掛かる負荷、前記操作方向検出部で検出された操作方向、及び前記操作量検出部で検出された操作量に応じて、前記油圧シリンダに供給される圧油の流量を制御して、前記油圧シリンダのストロークエンド付近の速度を制御する制御部とを含むことを特徴としている。

本発明に係る油圧ショベルによれば、作業具の姿勢、作業具に掛かる負荷、および操作装置の操作方向と操作量に応じて油圧シリンダに供給される圧油の流量を制御して、油圧シリンダのストロークエンド付近の速度を制御する制御部を備えたことから、油圧シリンダのストロークエンドにおける精度の高い速度制御を実現させることができる。これにより本発明は従来に比べて衝撃をより確実に防止でき、また従来懸念されていた衝撃の過剰な防止を抑えることができる。

本発明に係る油圧ショベルの一実施形態を示す側面図である。 本実施形態に備えられるフロントの一部を示す側面図である。 本実施形態に備えられる電気・油圧回路図である。 本実施形態の要部構成を示す機能ブロック図である。 本実施形態の動作を説明するフローチャートである。 本実施形態によるストロークエンド制御を簡易的に示す制御マップおよびシリンダ速度変移図である。

以下、本発明に係る油圧ショベルの実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態に係る油圧ショベルは、例えばバックホー油圧ショベルである。図１に示すように、このバックホー油圧ショベルは、走行体１ａと、この走行体１ａ上に配置された旋回体１ｂとを含む本体１と、旋回体１ｂに上下方向の回動可能に取り付けられ、土砂の掘削等を行う作業装置、すなわちフロント８とを備えている。このフロント８は、旋回体１ｂに起伏可能に取付けたブーム２と、旋回体１ｂに一端を連結し、他端をブーム２に連結したブームシリンダ５と、ブーム２の先端に上下方向の回動可能に取付けたアーム３と、ブーム２に一端を回動可能に連結し、他端をアーム３に回動可能に取付けたアームシリンダ６と、アーム３の先端に上下方向の回動可能に取付けたバケット４と、アーム３に一端を回動可能に連結し、他端をバケット４に回動可能に連結したバケットシリンダ７とから成る。ブーム２、アーム３およびバケット４は、作業具を構成し、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、およびバケットシリンダ７は作業具を作動させる油圧シリンダを構成している。

本実施形態は、油圧シリンダ、例えばアームシリンダ６を操作する図３に示す操作装置１２と、アームシリンダ６のストロークエンドにおける衝撃を緩和させるストロークエンド緩衝装置とを備えている。

ストロークエンド緩衝装置は、アーム３の鉛直面内における姿勢を検出する姿勢検出部と、アーム３に掛かる負荷を検出する負荷検出部と、操作装置１２により入力される操作方向を検出する図３に示す操作方向検出部１２ａと、操作装置１２により入力される操作量検出部１２ｂとを含んでいる。

また、このストロークエンド緩衝装置は、前述した姿勢検出部で検出されたアーム３の姿勢、負荷検出部で検出されたアーム３に掛かる負荷、操作方向検出部１２ａで検出された操作装置１２の操作方向、及び操作量検出部１２ｂで検出された操作装置１２の操作量に応じて、アームシリンダ６のストロークエンド付近の速度を制御する制御部を含んでいる。

前述した姿勢検出部は、アーム３の鉛直面内における角度、すなわち図２に示すブーム２とアーム３の角度αを検出する角度検出部９から成っている。

前述した負荷検出部は、アームシリンダ６のボトム圧を検出するボトム圧検出部１０と、アームシリンダ６のロッド圧を検出するロッド圧検出部１１とから成っている。

また、本実施形態は、図３に示すように、アームシリンダ６を作動させる圧油を供給する可変容量ポンプ１３と、固定容量ポンプ２２に接続され、アームシリンダ６を制御するコントロールバルブ１４と、固定容量ポンプ２２に接続され、アームシリンダ６のボトム室６ａとロッド室６ｂ間の圧油の再生を可能にする再生弁１９を備えている。

前述した制御部は、角度検出部９によって検出されたアーム３の鉛直面内における角度αと、操作方向検出部１２ａによって検出された操作装置１２の操作方向、及び操作量検出部１２ｂによって検出された操作装置１２の操作量と、ボトム圧検出部１０及びロッド圧検出部１１によって検出されたアームシリンダ６の負荷とに応じて所定の演算を行う図４に示す演算部１５ａを備えたコントローラ１５を含んでいる。

また、制御部は図３に示すように、可変容量ポンプ１３の押しのけ容積を制御するレギュレータ２１と、コントロールバルブ１４を切り替える第一電磁弁１７、１８と、再生弁１９を制御する第二電磁弁１６とを含み、コントローラ１５は演算部１５ａで演算された結果に応じて、レギュレータ２１、第一電磁弁１７，１８および第二電磁弁１６を制御する処理を行う。

コントローラ１５からレギュレータ２１のソレノイド２１ａへの電流を調整することにより、可変容量ポンプ１３の圧油の供給量を調整する。コントローラ１５から第一電磁弁１７，１８のソレノイド１７ａ、１８ａへの電流を調整することにより、コントロールバルブ１４の操作室１４ａ、１４ｂに加えられるパイロット油圧が調整されてコントロールバルブ１４内に形成される流路の開度を調整できる。コントローラ１５から第二電磁弁１６のソレノイド１６ａへの電流を調整することにより、再生弁１９の操作室１９ａに加えられるパイロット油圧が調整されて再生弁１９内に形成される流路の開度を調整できる。

図４に示すように、コントローラ１５に含まれる演算部１５ａは、角度検出部９、ボトム圧検出部１０、ロッド圧検出部１１、操作方向検出部１２ａ、及び操作量検出部１２ｂの各検出値から、ストロークエンド制御かどうか判定し、第一電磁弁１７，１８、第二電磁弁１６、及びレギュレータ２１に判定に基づいた電流値を入力する。

また、図３に示すように本実施形態は、可変容量ポンプ１３の余剰流量をタンクに戻す流量制御弁２０を備えている。

このように構成した本実施形態に係る油圧ショベルでは、図５に示すように、稼働状態にあるとき、アーム３の操作装置１２の操作を待つ状態（ステップＳ１）にあり、操作装置１２が操作されると、操作方向検出部１２ａは操作方向を検出し（ステップＳ２）、クラウド操作であれば、図３の回路図において第一電磁弁１７のソレノイド１７ａに通電され、この第一電磁弁１７が同図３の右位置に切り替えられ、コントロールバルブ１４の操作室１４ａに固定容量ポンプ２２からのパイロット圧油が供給され、コントロールバルブ１４が同図３の右位置に切り替えられる。これによりアームシリンダ６のボトム室６ａに可変容量ポンプ１３からの圧油が供給され、アームシリンダ６が伸長し、アーム３は図２の方向Ｃに回動する。

このようなアームシリンダ６を伸長させる動作において、ボトム圧検出部１０からのボトム圧Ｐｂと、角度検出部９からのアーム３の角度αを検出し（ステップＳ３）、演算部１５ａにてアーム３の角度αからアーム３の角速度ωを算出する。これらボトム圧Ｐｂと角速度ωの組み合わせからストロークエンド制御開始角α_ｃを決定する（ステップＳ４）。このストロークエンド制御開始角α_ｃとアーム３の角度αとを比較し（ステップＳ５）、「α≦α_ｃ」の場合、ストロークエンド制御と判定し、コントローラ１５から第二電磁弁１６、第一電磁弁１７，１８およびレギュレータ２１に対して、ストロークエンド制御開始角α_ｃに対応する電流値を出力する（ステップＳ６）。

このようなストロークエンド制御において、コントローラ１５からレギュレータ２１への入力電流値を減少させ、可変容量ポンプ１３からアームシリンダ６のボトム室６ａに供給する圧油の流量を減少させる。コントロールバルブ１４を図３の右位置に維持した状態で可変容量ポンプ１３から供給される圧油を減少させることにより、コントロールバルブ１４によって絞られる油量を減少させ、可変容量ポンプ１３から供給される圧油の流量ロスを低減する。

図６に示すように、ストロークエンド制御時のストロークエンド制御開始角α_ｃはアームシリンダ６のボトム圧Ｐｂとアーム３の角速度ωの組み合わせから決定する。ボトム圧Ｐｂや、角速度ωが大きい場合、ストロークエンドでの衝撃が増大するため、ストロークエンド制御開始角α_ｃを大きく設定し、アームシリンダ６のストロークエンドに対して、より遠距離からストロークエンド制御を開始すると共に、ストロークエンドでのアーム３の速度低下量を増加させて衝撃を緩和する。一方ボトム圧Ｐｂや角速度ωが小さい場合、ストロークエンドでの作業具に対する衝撃は減少するため、ストロークエンド制御開始角α_ｃを小さく設定し、シリンダストロークエンドに対して、より近距離からストロークエンド制御を開始すると共に、ストロークエンドでのアーム３の速度低下量を減少させることで、可能な限りアームシリンダ６の速度を低下させず、作業性を向上させることができる。

一方、図５のステップＳ５において「アーム３の角度α＞ストロークエンド制御開始角α_ｃ」の場合（ステップＳ７）、アームシリンダ６のボトム圧Ｐｂとロッド圧Ｐｒを比較する（ステップＳ８）。「Ｐｒ＞Ｐｂ」の場合（ステップＳ９）、アーム３は自重落下の動作であると判定し、再生弁１９を開放し、アームシリンダ６のロッド室６ｂからアームシリンダ６のボトム室６ａに圧油を供給することで、可変容量ポンプ１３から供給される流量を低減し、流量のロスを低減する。また、操作装置１２から検出される操作量に応じたアーム速度に達するまで可変容量ポンプ１３から供給される圧油の流量を増加させる。

ステップＳ８において「Ｐｒ≦Ｐｂ」の場合（ステップＳ１０）、クラウド負荷動作であると判定し、操作装置１２から検出される操作量に応じたアーム３の速度に達するまで可変容量ポンプ１３から供給される圧油の流量を増加させる。

前述した操作方向検出部１２ａは操作方向の検出（ステップＳ２）に際し、ダンプ操作であれば、ステップＳ１１に移り、図３の回路図において第一電磁弁１８のソレノイド１８ａに通電され、この第一電磁弁１８が右位置に切り替えられ、コントロールバルブ１４の操作室１４ｂに固定容量ポンプ２２からのパイロット圧油が供給され、コントロールバルブ１４が同図３の左位置に切り替えられる。これによりアームシリンダ６のロッド室６ｂに可変容量ポンプ１３からの圧油が供給され、アームシリンダ６が収縮し、図２の方向Ｄに回動する。

このようなアームシリンダ６を収縮させる動作において、ロッド圧検出部１１から検出されるロッド圧Ｐｒと、角度検出部９から検出されるアーム３の角度αを検出し（ステップＳ１２）、演算部１５ａにてアーム３の角度αからアーム３の角速度ωを算出する。これらロッド圧Ｐｒと角速度ωの組み合わせからストロークエンド制御開始角α_ｄを決定する（ステップＳ１３）。このストロークエンド制御開始角α_ｄとアーム３の角度αとを比較し（ステップＳ１４）、「α≧α_ｄ」の場合、ストロークエンド制御と判定し、コントローラ１５から第二電磁弁１６、第一電磁弁１７，１８およびレギュレータ２１に対して、ストロークエンド制御開始角α_ｄに対応する電流値を出力する（ステップＳ１５）。

このようなストロークエンド制御において、コントローラ１５からレギュレータ２１への入力電流値を減少させ、可変容量ポンプ１３からアームシリンダ６のロッド室６ｂに供給する圧油の流量を減少させる。コントロールバルブ１４を図３の左位置に維持した状態で可変容量ポンプ１３から供給される圧油を減少させることにより、コントロールバルブ１４によって絞られる油量を減少させ、可変容量ポンプ１３から供給される圧油の流量ロスを低減する。

図６に示すように、ストロークエンド制御時のストロークエンド制御開始角α_ｄはアームシリンダ６のロッド圧Ｐｒとアーム３の角速度ωの組み合わせから決定する。ロッド圧Ｐｒや、角速度ωが大きい場合、ストロークエンドでの衝撃が増大するため、ストロークエンド制御開始角α_ｄを小さく設定し、シリンダストロークエンドに対して、より遠距離からストロークエンド制御を開始すると共に、ストロークエンドでのアーム３の速度低下量を増加させて、衝撃を緩和する。一方アームシリンダ６のロッド圧Ｐｒやアーム３の角速度ωが小さい場合、ストロークエンドでの衝撃は減少するため、ストロークエンド制御開始角α_ｄを大きく設定し、シリンダストロークエンドに対して、より近距離からストロークエンド制御を開始すると共に、ストロークエンドでのアーム３の速度低下量を減少させることで、可能な限りアームシリンダ６の速度を低下させず、作業性を向上させることができる。

一方、図５のステップＳ１４において「アーム３の角度α＜ストロークエンド制御開始角α_ｄ」の場合（ステップＳ１６）、ボトム圧Ｐｂとロッド圧Ｐｒを比較する（ステップＳ１７）。「Ｐｒ＜Ｐｂ」の場合（ステップＳ１８）、アーム３は自重落下動作であると判定し、再生弁１９を開放し、アームシリンダ６のボトム室６ａからロッド室３ｂに圧油を供給することで、可変容量ポンプ１３から供給される流量を低減し、流量のロスを低減する。また、操作装置１２から検出される操作量に応じたアーム速度に達するまで可変容量ポンプ１３から供給される圧油の流量を増加させる。

ステップＳ１７において「Ｐｒ≧Ｐｂ」の場合（ステップＳ１９）、ダンプ負荷動作であると判定し、操作装置１２から検出される操作量に応じたアーム３の速度に達するまで可変容量ポンプ１３から供給される圧油の流量を増加させる。

このように構成した本実施形態によれば、アーム３の姿勢を角度検出部９から、アーム３に掛かる負荷をボトム圧検出部１０、ロッド圧検出部１１から、操作装置１２の操作方向を操作方向検出部１２ａから、操作装置１２の操作量を操作量検出部１２ｂからそれぞれ検出し、これらに応じてコントローラ１５により、可変容量ポンプ１３からアームシリンダ６に供給される圧油の流量を制御するようにしたので、アームシリンダのストロークエンドにおける精度の高い制御を実現させることができる。これによりアームシリンダ６のストロークエンドでの衝撃をより確実に防止でき、また衝撃の過剰な防止を抑えることができる。

また、可変容量ポンプ１３の圧油供給流量を優先的に制御し、コントロールバルブ１４の開度を可能な限り低下させないことで、コントロールバルブ１４での流量損失を低下させ、油圧効率を向上させることができる。

さらに、アーム３のクラウド操作およびダンプ操作時の自重落下状態において、アームシリンダ６のボトム室６ａのボトム圧Ｐｂと、アームシリンダ６のロッド室６ｂのロッド圧Ｐｒを検出し、自重落下状態を判定して再生弁１９を制御することで、再生圧油を有効に活用し、可変容量ポンプ１３からの供給流量を低下させ、油圧効率を向上させることができる。

１：本体
１ａ：走行体
１ｂ：旋回体
２：ブーム （作業具）
３：アーム （作業具）
４：バケット （作業具）
５：ブームシリンダ （油圧シリンダ）
６：アームシリンダ （油圧シリンダ）
６ａ：ボトム室
６ｂ：ロッド室
７：バケットシリンダ （油圧シリンダ）
８：フロント （作業装置）
９：角度検出部 （姿勢検出部）
１０：ボトム圧検出部
１１：ロッド圧検出部
１２：操作装置
１２ａ：操作方向検出部
１２ｂ：操作量検出部
１３：可変容量ポンプ
１４：コントロールバルブ
１４ａ：操作室
１４ｂ：操作室
１５：コントローラ
１５ａ：演算部
１６：第二電磁弁
１６ａ：ソレノイド
１７：第一電磁弁
１７ａ：ソレノイド
１８：第一電磁弁
１８ａ：ソレノイド
１９：再生弁
１９ａ：操作室
２０：流量制御弁
２１：レギュレータ
２１ａ：ソレノイド
２２：固定容量ポンプ

Claims (4)

1. 本体と、この本体に取り付けられ、作業具、及びこの作業具を作動させる油圧シリンダを含む作業装置と、前記油圧シリンダを操作する操作装置と、前記油圧シリンダのストロークエンドにおける衝撃を緩和させるストロークエンド緩衝装置とを備えた油圧ショベルにおいて、
   前記ストロークエンド緩衝装置は、
   前記作業具の鉛直面内における姿勢を検出する姿勢検出部と、
   前記作業具に掛かる負荷を検出する負荷検出部と、
   前記操作装置の操作方向を検出する操作方向検出部、及び前記操作装置の操作量を検出する操作量検出部と、
   前記姿勢検出部で検出された前記作業具の姿勢、前記負荷検出部で検出された前記作業具に掛かる負荷、前記操作方向検出部で検出された操作方向、及び前記操作量検出部で検出された操作量に応じて、前記油圧シリンダに供給される圧油の流量を制御して、前記油圧シリンダのストロークエンド付近の速度を制御する制御部とを含むことを特徴とする油圧ショベル。
2. 請求項１に記載の油圧ショベルにおいて、
   前記制御部は、前記油圧シリンダのボトム圧と前記作業具の角速度の組み合わせから前記油圧シリンダのストロークエンド制御開始角を決定することを特徴とする油圧ショベル。
3. 請求項１に記載の油圧ショベルにおいて、
   前記姿勢検出部は、前記作業具の鉛直面内における角度を検出する角度検出部から成り、
   前記負荷検出部は、前記油圧シリンダのボトム圧を検出するボトム圧検出部とロッド圧を検出するロッド圧検出部とから成ることを特徴とする油圧ショベル。
4. 請求項１に記載の油圧ショベルにおいて、
   前記油圧シリンダを作動させる圧油を供給する可変容量ポンプと、固定容量ポンプに接続され、前記油圧シリンダを制御するコントロールバルブと、前記固定容量ポンプに接続され、前記油圧シリンダのボトム室とロッド室間の圧油の供給を可能にする再生弁を備えるとともに、
   前記制御部は、
   前記姿勢検出部によって検出された前記作業具の鉛直面内における角度と、前記負荷検出部によって検出された負荷と、前記操作方向検出部で検出された操作方向と、前記操作量検出部で検出された操作量に応じて所定の演算を行う演算部を含むコントローラと、
   前記可変容量ポンプの押しのけ容積を制御するレギュレータと、
   前記コントロールバルブを切り替える第一電磁弁と、
   前記再生弁を制御する第二電磁弁とを含み、
   前記コントローラは、前記演算部で演算された結果に応じて前記レギュレータ、前記第一電磁弁、及び前記第二電磁弁を制御する処理を行うことを特徴とする油圧ショベル。