JP2018179515A - 油圧機器の作動油中の不純物検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプによる作動油の流速安定化を必要とせず、且つ、油圧機器の状態異常をも検出し得る、油圧機器の作動油中の不純物検出装置を提供すること。【解決手段】不純物検出装置は、自然流下により作動油タンク１へ作動油が流出する高さレベルに設置される、所定量の作動油を一時的に貯えるサブタンク２と、サブタンク２と作動油タンク１とを接続し、サブタンク２から作動油タンク１へ自然流下により作動油を流出させるための配管３と、配管３に設けられ、作動油に混入した不純物を検出するセンサ５と、配管３に設けられ、所定量の作動油をサブタンク２に一時的に貯えるため、およびサブタンク２と作動油タンク１とを連通させるための連通弁４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、油圧機器の作動油に混入した金属摩耗粉などの不純物を検出するための装置に関する。

この種の技術に関し、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載の作動油の汚れ状態診断装置は、作動油の流路が内部に形成された透明のガラス材料からなるマイクロセルと、マイクロセルに埋め込まれた光センサと、マイクロセルの上流端にコネクタを介して取り付けられたミニポンプとを備える。光センサおよびミニポンプが配置されたマイクロセルは、作動油を採取する採取管の途中に取り付けられる。採取管の一端は、作動油タンクの底部側に接続され、採取管の他端は、作動油の戻し管路に接続される。ミニポンプにより吸引された作動油タンク内の作動油は、マイクロセルの内部に形成された流路を流れる。作動油中に混入した不純物は、光センサにて検出される。

上記した作動油の汚れ状態診断装置により、油圧ショベルなどに用いられる油圧駆動回路の作動油中に混入した金属の摩耗粉および砂などの不純物を、インラインで連続的に検出でき、作動油の汚染状態を安定して診断できる、と特許文献１に記載されている。

特開２００１−２２１７９３号公報

ここで、特許文献１に記載の作動油の汚れ状態診断装置では、不純物の検出精度を確保するために、作動油の流速を安定化させる必要があり、上記したミニポンプの設置が不可欠である。

また、作動油の全量が戻る作動油タンク内から作動油を採取して、その作動油中に混入した不純物を検出する構成であるため、作動油の汚染状態の検出は可能であるものの、油圧で作動する機器、すなわち油圧機器の状態異常を検出することまでは困難である。なお、油圧機器が状態異常となると、その多くの場合、油圧機器のケーシング内に金属の摩耗粉などの不純物が生じ、生じた不純物は作動油に混入する。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ポンプによる作動油の流速安定化を必要とせず、且つ、油圧機器の状態異常をも検出し得る、油圧機器の作動油中の不純物検出装置を提供することである。

本発明に係る油圧機器の作動油中の不純物検出装置は、自然流下により作動油タンクへ作動油が流出する高さレベルに設置される、所定量の作動油を一時的に貯えるサブタンクと、前記サブタンクと前記作動油タンクとを接続し、前記サブタンクから前記作動油タンクへ自然流下により作動油を流出させるための油流路と、前記油流路に設けられ、作動油に混入した不純物を検出するセンサと、前記油流路に設けられ、所定量の作動油を前記サブタンクに一時的に貯えるため、および前記サブタンクと前記作動油タンクとを連通させるための連通弁と、を備える。

本発明に係る上記した不純物検出装置によると、不純物を検出するセンサが設けられた油流路に、ポンプを用いることなく作動油を流すことができる。所定量の作動油をサブタンクに一時的に貯えることで、センサを動作させる際、センサが設けられた油流路を流れる作動油の流速を安定させることができる。すなわち、本発明に係る不純物検出装置は、ポンプによる作動油の流速安定化を必要としない。また、本発明に係る上記した不純物検出装置によると、作動油タンクとは別にサブタンクが設けられることで、例えば、油圧モータおよび油圧ポンプのケーシングドレンをサブタンク経由で作動油タンクに戻し、各種油圧シリンダの戻り油を作動油タンクに直接戻す、というようにすることができる。これにより、全ての油圧機器のドレンを作動油タンクへ直接戻すことでは困難であった、油圧機器の状態異常の検出が可能となる。すなわち、本発明に係る不純物検出装置は、油圧機器の状態異常を検出し得る。

本発明の一実施形態に係る不純物検出装置を含む、不純物検出装置まわりの機器構成のブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。本発明に係る不純物検出装置は、油圧で動作する機器、すなわち油圧機器の作動油に混入した金属の摩耗粉、砂などの不純物を検出するための装置である。本発明に係る不純物検出装置は、油圧機器を搭載する例えば油圧ショベル、油圧クレーンなどの建設機械に適用される。

（不純物検出装置の構成）
図１に基づいて、本発明の一実施形態に係る不純物検出装置、およびその周辺の機器の構成について説明する。

本発明の一実施形態に係る不純物検出装置は、作動油タンク１の上部側面に設けられたサブタンク２と、サブタンク２の底部と作動油タンク１とを接続する配管３（油流路）と、配管３に設けられた連通弁４、センサ５、および油フィルタ６（フィルタ）と、サブタンク２から作動油タンク１へ作動油を流出させるオーバーフロー管１６（オーバーフロー流路）と、サブタンク２の上部に設けられた給排気弁７と、コントローラ１４とを有する。

作動油タンク１は、油圧機器の作動油を収容するタンクである。作動油タンク１には、油面上限レベルＬｍｍａｘ、および油面下限レベルＬｍｍｉｎが予め設定されている。作動油タンク１には、油面計１０が取り付けられている。作動油タンク１内の作動油の液面は、油面計１０にて常時監視されている。

作動油タンク１の底部にはサクションストレーナ１５が取り付けられている。作動油タンク１内の上部には、フィルタ室１１が設けられている。フィルタ室１１には、リターンフィルタ１２、およびバイパス逆止弁１３が収容されている。作動油タンク１の天上部には、エアブリーザ９が取り付けられている。エアブリーザ９は、給排気機能およびエアフィルタ機能を有する公知の機器である。なお、作動油タンク１内の空間（フィルタ室１１を除く）は、エアブリーザ９により大気圧よりも高い圧力とされている。

サブタンク２は、油圧機器から吐出された作動油を一時的に貯えるタンクである。サブタンク２の底側内壁面は、水平方向に対して傾斜する斜面２ａとされている。当該斜面２ａにより形成された、サブタンク２の最底部に配管３の一端が接続されている。配管３の他端は、作動油タンク１の底側の側面に接続されている。本実施形態では、サブタンク２の内底は、その中心部に向かって下っていくすり鉢状とされている。サブタンク２の天井部には、エアフィルタ８を介して給排気弁７が取り付けられている。給排気弁７は、大気中とサブタンク２の中とを連通させるための弁である。給排気弁７は、例えば電磁弁であり、コントローラ１４によりその開閉が制御される。

配管３には、サブタンク２側から順に、前記した連通弁４、センサ５、および油フィルタ６が設けられている。連通弁４は、所定量の作動油をサブタンク２に一時的に貯えるため、およびサブタンク２と作動油タンク１とを連通させるための弁である。連通弁４は、例えば電磁弁であり、コントローラ１４によりその開閉が制御される。センサ５は、作動油に混入した不純物を検出するためのものであり、例えば光学式のセンサである。センサ５が光学式のセンサである場合、センサ５は、例えば、配管３を挟むように、その両側に配置された発光部（不図示）および受光部（不図示）を有する。配管３のうちのセンサ５が配置された部分は、例えば透明にされる。

油フィルタ６は、サブタンク２から流出してきた作動油中に含まれる不純物を捕捉するためのものである。

サブタンク２は、自然流下によりその底部から作動油タンク１へ作動油が流出する高さレベルに設置される。本実施形態では、サブタンク２は、その内底の高さレベルＬｓｂが、作動油タンク１の油面上限レベルＬｍｍａｘよりも高くなる位置に設置されている。

なお、「自然流下により作動油が流出する」とは、ポンプなどの動力を用いることなく作動油が流出する、ということである。

サブタンク２には、油面上限レベルＬｓｍａｘが予め設定されている。油面上限レベルＬｓｍａｘは、オーバーフロー管１６の吸込みレベルと等しい。サブタンク２内の作動油の液面が上昇してきて、油面上限レベルＬｓｍａｘに達すると、サブタンク２内の作動油は、オーバーフロー管１６から作動油タンク１へ流出する。ここで、詳しくは後述するが、作動油に混入した不純物をセンサ５で検出する前に、連通弁４および給排気弁７を閉にして、サブタンク２内に作動油を貯える。オーバーフロー管１６の存在により、サブタンク２内の作動油の液面レベルは、油面上限レベルＬｓｍａｘを超えることはない。換言すれば、オーバーフロー管１６の存在により、サブタンク２内の作動油の液面レベルは、油面上限レベルＬｓｍａｘに維持される。サブタンク２の油面上限レベルＬｓｍａｘの設定により、作動油のセンサ５部通過流速を調整することができる。サブタンク２の平断面積は、例えば、想定されるセンサ５の必要な動作時間により決定される。サブタンク２の平断面積が大きい程、センサ５の有効動作時間を長く確保できる。サブタンク２の平断面積が大きい程、サブタンク２に一時的に貯えられる作動油の量が多くなるからである。

なお、オーバーフロー管１６の下端（下流端）は、当該下端が常時、作動油の中に没するように、作動油タンク１の油面下限レベルＬｍｍｉｎよりも下方に位置するようにされている。

図１に、油圧機器の例として、油圧ポンプ２１、油圧モータ２２、油圧シリンダ２３、コントロールバルブ２４，２５が示されている。油圧ポンプ２１は、例えば油圧ショベルのエンジン（不図示）で駆動されて圧油を吐出するものである。油圧モータ２２は、例えば油圧ショベルの上部旋回体（不図示）を旋回させるものである。油圧シリンダ２３は、例えば油圧ショベルのバケットを動作させるためのものである。コントロールバルブ２４は、油圧モータ２２への圧油の給排をコントロールするバルブであり、コントロールバルブ２５は、油圧シリンダ２３への圧油の給排をコントロールするバルブである。なお、油圧機器の種類、数量は、上記に限定されるものではない。

点線で示すように、油圧ポンプ２１、および油圧モータ２２のケーシングドレン（ドレン油（作動油でもある））は、サブタンク２の底部側面からサブタンク２内に入れられている。当該ケーシングドレンは、サブタンク２から、オーバーフロー管１６経由または配管３経由で作動油タンク１に戻される。油圧モータ２２、および油圧シリンダ２３から吐出された戻り油（作動油）は、作動油タンク１に直接戻されている。作動油タンク１に戻った戻り油（作動油）は、サクションストレーナ１５を経て、油圧ポンプ２１に流れ、循環使用される。なお、油圧ポンプ２１、および油圧モータ２２のケーシングドレンが流れる配管は、サブタンク２接続部近辺を除いて、サブタンク２の内底の高さレベルＬｓｂよりも低いレベルに配設される。

（不純物検出装置の動作）
以下の説明では、前記した各機器が油圧ショベルを構成する機器であるとしている。

油圧ショベルのエンジンがＯＮされると、コントローラ１４は、連通弁４および給排気弁７を開から閉にする。オペレータが油圧ショベルを操作すると、油圧ポンプ２１により作動油タンク１から油圧モータ２２、油圧シリンダ２３などの各油圧アクチュエータへ作動油が流れる。油圧モータ２２、および油圧シリンダ２３などの各油圧アクチュエータから吐出した戻り油（作動油）は、作動油タンク１に直接戻る。一方、油圧ポンプ２１、および油圧モータ２２のケーシングドレン（ケーシングドレンは、作動油でもあるので、以下、「作動油」と記載する）は、サブタンク２に流入する。このとき、連通弁４が閉にされているので、サブタンク２に流入した作動油は、サブタンク２内に溜まっていく。サブタンク２内の作動油の液面レベルが、油面上限レベルＬｓｍａｘに達すると、サブタンク２内の作動油は、オーバーフロー管１６から作動油タンク１へ流出する。オーバーフロー管１６の下端は、当該下端が常時、作動油の中に没しているので、オーバーフロー管１６の空気を作動油が押し退けるようにして、サブタンク２内の作動油は、オーバーフロー管１６から作動油タンク１へ流出する。なお、油圧ショベルは、その動作中、荒地を走行したり、エンジンなどの機器が振動したりしているので、サブタンク２まわりは粉塵が舞い易い。サブタンク２に粉塵などのゴミが入ることはエアフィルタ８で防止されるが、給排気弁７が閉にされていることで、ゴミの侵入はより防止される。また、前記したように作動油タンク１内は、大気圧よりも高い圧力とされている。また、作動油タンク１の作動油の液面は、油圧ショベルの様々な動作により変動する。仮に、給排気弁７が開の状態であると、サブタンク２内の圧力は大気圧となるので、オーバーフロー管１６を介して、作動油タンク１からサブタンク２へ作動油が逆流することがあり得る。なお、必ず逆流するというものではない。給排気弁７が閉にされていることで、作動油タンク１からサブタンク２への作動油の逆流が防止される。

ここで、油圧ポンプ２１、及び／又は油圧モータ２２に状態異常が生じていると、例えば金属の摩耗粉（鉄粉など）が発生し、そのケーシングドレン（作動油）に発生した金属の摩耗粉が混入する。金属の摩耗粉は、作動油とともにサブタンク２に流入し、粒子径が大きい摩耗粉は、サブタンク２の底部に沈殿する。粒子径が小さい摩耗粉は、作動油中を浮遊している。

オペレータは、油圧ショベルでの作業が終了すると、エンジンをＯＦＦにする。エンジンがＯＦＦされると、コントローラ１４は、連通弁４および給排気弁７を閉から開に戻す。連通弁４および給排気弁７が開になると、サブタンク２内の不純物（金属の摩耗粉など）が混入した作動油は、その自重および大気圧にて、自然流下により、配管３を通って作動油タンク１へ向かって流れる。このとき、コントローラ１４は、センサ５を動作させて、作動油に混入している不純物の量を計測する。なお、センサ５部分を通過した不純物は、油フィルタ６にて補足される。

サブタンク２内の作動油がなくなると、配管３内の流速がゼロとなるため、センサ５部分を通過する不純物はなくなる。コントローラ１４は、例えばセンサ５による計測値がゼロで安定したら不純物の計測を終了する。

コントローラ１４は、不純物の計測値が、状態異常の閾値を超えているか否か判定する。なお、状態異常の閾値は、油圧機器の稼働時間、操作履歴、および負荷履歴などの情報からコントローラ１４が計算する。コントローラ１４は、その判定結果を、モニタに出力する。

（変形例）
前記した実施形態では、サブタンク２の内底は、その中心部に向かって下っていくすり鉢状とされている。これに代えて、サブタンク２の内底が、その隅に向かって下っていく形状とされていてもよい。この場合、配管３は、サブタンク２の内底の隅に位置する最底部に接続される。さらには、サブタンク２の内底は、テーパ形状ではなく、平坦であってもよい。

前記した実施形態において、給排気弁７が省略されてもよい。すなわち、サブタンク２内が、大気中と常に連通した状態とされてもよい。

前記した実施形態において、オーバーフロー管１６が省略されてもよい。この場合、例えば、サブタンク２内の油面レベルが油面上限レベルＬｓｍａｘに達した時点で、コントローラ１４にて、連通弁４を開にする。なお、油圧ポンプ２１、および油圧モータ２２のケーシングドレンは、作動油タンク１に直接戻される流路が確保されている必要がある。

前記した実施形態では、サブタンク２から作動油タンク１へ自然流下により作動油を流出させるための油流路として配管３が用いられている。当該油流路として、ゴムホースなどが用いられてもよい。

前記した実施形態では、油圧ポンプ２１、および油圧モータ２２のケーシングドレンは、サブタンク２経由で作動油タンク１に戻され、油圧モータ２２、および油圧シリンダ２３から吐出された戻り油は、作動油タンク１に直接戻されている。油圧機器の戻り油を、サブタンク２経由で作動油タンク１に戻すか、作動油タンク１に直接戻すか、のバリエーションは様々ある。

前記した実施形態では、連通弁４および給排気弁７の開閉、センサ５の操作などを全てコントローラ１４による制御で行っているが、連通弁４および給排気弁７の開閉、センサ５の操作などを人が手動で行ってもよい。

（作用効果）
前記した不純物検出装置は、自然流下により作動油タンク１へ作動油が流出する高さレベルに設置される、所定量の作動油を一時的に貯えるサブタンク２と、サブタンク２と作動油タンク１とを接続し、サブタンク２から作動油タンク１へ自然流下により作動油を流出させるための配管３と、配管３に設けられ、作動油に混入した不純物を検出するセンサ５と、配管３に設けられ、所定量の作動油をサブタンク２に一時的に貯えるため、およびサブタンク２と作動油タンク１とを連通させるための連通弁４と、を備える。

この構成によると、不純物を検出するセンサ５が設けられた配管３にポンプを用いることなく作動油を流すことができる。所定量の作動油をサブタンク２に一時的に貯えることで、センサ５を動作させる際、センサ５が設けられた配管３を流れる作動油の流速を安定させることができる。また、前記した不純物検出装置によると、作動油タンク１とは別にサブタンク２が設けられることで、油圧モータ２２および油圧ポンプ２１のケーシングドレンをサブタンク２経由で作動油タンク１に戻し、油圧モータ２２、および油圧シリンダ２３を作動させた後の作動油（戻り油）を作動油タンク１に直接戻す、というようにすることができる。これにより、全ての油圧機器のドレンを作動油タンクへ直接戻すことでは困難であった、油圧モータ２２および油圧ポンプ２１のケーシングドレンに含まれる不純物の検出が可能となる。

前記した不純物検出装置は、サブタンク２に設けられ、大気中とサブタンク２の中とを連通させるための給排気弁７をさらに備える。

この構成によると、サブタンク２へのゴミの侵入を防止することができる。また、作動油タンク１からサブタンク２への作動油の逆流を防止することができる。

前記した不純物検出装置は、サブタンク２の中の作動油の量が所定量に達したら、サブタンク２から作動油タンク１へ作動油を流出させるオーバーフロー管１６をさらに備える。

この構成によると、サブタンク２に一時的に貯える作動油の量を、容易且つ確実に、所定量とすることができる。

前記した不純物検出装置を構成するサブタンク２の底側内壁面は、水平方向に対して傾斜する斜面２ａとされており、当該斜面２ａにより形成された、サブタンク２の最底部に配管３が接続されている。

この構成によると、サブタンク２の底部に沈殿した作動油中の不純物を、サブタンク２中に残すことなく、センサ５が設けられた配管３に流すことができる。これにより、作動油中に混入した不純物の検出精度が向上する。

前記した不純物検出装置では、配管３の、センサ５よりも下流側部分に、不純物を捕捉する油フィルタ６が配置されている。

油圧機器は、作動油タンク１から作動油が供給される。この構成によると、サブタンク２内の作動油中の不純物が作動油タンク１へ流出することを防止できる。これにより、油圧機器の二次故障を防止できる。

前記した不純物検出装置では、サブタンク２の内底の高さレベルＬｓｂが、作動油タンク１の油面上限レベルＬｍｍａｘよりも高くなるように、サブタンク２が設置されている。

この構成によると、サブタンク２内の全ての作動油を、より確実にセンサ５が設けられた配管３に流すことができる。

１：作動油タンク
２：サブタンク
２ａ：斜面
３：配管（油流路）
４：連通弁
５：センサ
６：油フィルタ（フィルタ）
７：給排気弁
１４：コントローラ
１６：オーバーフロー管（オーバーフロー流路）
２１：油圧ポンプ（油圧機器）
２２：油圧モータ（油圧機器）
２３：油圧シリンダ

Claims (6)

1. 自然流下により作動油タンクへ作動油が流出する高さレベルに設置される、所定量の作動油を一時的に貯えるサブタンクと、
   前記サブタンクと前記作動油タンクとを接続し、前記サブタンクから前記作動油タンクへ自然流下により作動油を流出させるための油流路と、
   前記油流路に設けられ、作動油に混入した不純物を検出するセンサと、
   前記油流路に設けられ、所定量の作動油を前記サブタンクに一時的に貯えるため、および前記サブタンクと前記作動油タンクとを連通させるための連通弁と、
   を備える、油圧機器の作動油中の不純物検出装置。
2. 請求項１に記載の油圧機器の作動油の不純物検出装置において、
   前記サブタンクに設けられ、大気中と前記サブタンクの中とを連通させるための給排気弁をさらに備える、
   油圧機器の作動油中の不純物検出装置。
3. 請求項１または２に記載の油圧機器の作動油の不純物検出装置において、
   前記サブタンクの中の作動油の量が所定量に達したら、前記サブタンクから前記作動油タンクへ作動油を流出させるオーバーフロー流路をさらに備える、
   油圧機器の作動油中の不純物検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の油圧機器の作動油の不純物検出装置において、
   前記サブタンクの底側内壁面が、水平方向に対して傾斜する斜面とされており、
   前記斜面により形成された、前記サブタンクの最底部に前記油流路が接続されている、 油圧機器の作動油中の不純物検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の油圧機器の作動油の不純物検出装置において、
   前記油流路の、前記センサよりも下流側部分に、前記不純物を捕捉するフィルタが配置されている、
   油圧機器の作動油中の不純物検出装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の油圧機器の作動油の不純物検出装置において、
   前記サブタンクの内底の高さレベルが、前記作動油タンクの油面上限レベルよりも高くなるように、前記サブタンクが設置されている、
   油圧機器の作動油中の不純物検出装置。

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