JP2019157544A

JP2019157544A - 伸縮アームを有する作業機械

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Publication number: JP2019157544A
Application number: JP2018047306A
Authority: JP
Inventors: 香純霜田; Kasumi Shimoda; 伊藤　稔; Minoru Ito; 稔伊藤; 田中　慎也; Shinya Tanaka; 慎也田中
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: JP6781181B2

Abstract

【課題】伸縮アームを伸ばして穴底等の土砂を掘削する際に伸縮アームに過度な応力がかかることを抑制する。【解決手段】ブーム、伸縮アーム、クラムシェルバケット、アームシリンダ２５、バケット開閉シリンダ２６、油圧ポンプ３１，３２、パイロットポンプ３３、バケット開閉用のコントロール弁３５、コントロール弁のバケット閉じ動作側の受圧部にパイロット圧ｐ２を出力するパイロット弁３７ａを持つバケット開閉用操作装置３７、アームシリンダ２５のボトム側油室のリリーフ圧を第１設定圧力から第２設定圧力に低下させる可変リリーフ弁１、及び伸縮アームが設定長さ以上に伸長したことを検出する伸長センサＳを備えた作業機械において、伸縮アームが設定長さ以上に伸長してクラムシェルバケットの閉じ操作がされた場合に、可変リリーフ弁によるアームシリンダのボトム側油室のリリーフ圧を第１設定圧力から第２設定圧力に切り換えるように構成する。【選択図】図４

Description

本発明は作業機械に関し、特に伸縮アームを有する作業機械に係る。

油圧ショベルの本体をベースにした作業機械には、伸縮アームとその先端（下端）に取り付けられたクラムシェルバケットとを備えた作業機を有し、例えば堅穴掘り作業に用いられるものがある。伸縮アームは複数の筒状部材で構成された多段式の伸縮構造（テレスコピック構造）をしており、内部に設置されたアーム伸縮シリンダにより伸縮する。クラムシェルバケット（以下、クラムシェル）は、向い合せた一対のバケットをバケット開閉シリンダによって開閉する構造である。

堅穴掘り作業は、運転室に設置した操作装置を操作し、アーム伸縮シリンダ及びバケット開閉シリンダを適宜作動させて行う。掘削作業では、伸縮アームを伸ばし開いたクラムシェルを竪穴の底に下ろし、その後クラムシェルを閉じて穴底の土砂をバケット内に掻き込む。放土作業では、穴底で土砂を掻き込んだクラムシェルを伸縮アームの収縮により竪穴の外に引き上げ、ダンプトラックの荷台等の所定の場所でクラムシェルを開いて土砂を放出する。

前述した通り伸縮アームはテレスコピック構造であるため、収縮時に比べて伸長時には強度が低下する。そのため、伸縮アームを一定以上延ばした状態でアームシリンダを作動させて穴底にクラムシェルを押し付けると、伸縮アームに対して設定された以上の大きな負荷がかかる場合がある。それに対し、伸縮アームの伸長及びクラムシェルの接地をそれぞれ検出する２つのリミットスイッチと、アームシリンダの回路に設けたリリーフ弁とを設けた先行技術がある（特許文献１参照）。この先行技術では、２つのリミットスイッチが共に入り状態の条件でリリーフ弁が作動するようにリレー回路が構成されている。伸縮アームが延びた状態でクラムシェルが接地するとアームシリンダの駆動圧力の最高値が下がり、アームシリンダによりクラムシェルを地面に押し付ける操作の際に伸縮アームへの負荷が軽減される。

特許２７２８３０９公報

前述した通り、上記先行技術では伸縮アームの伸長とクラムシェルの接地を条件にアームシリンダの回路のリリーフ弁を作動させる。そのため伸縮アームを伸ばしてクラムシェルを下ろす際、クラムシェルが接地する前からアームシリンダが操作され始めるような場合には、クラムシェルが接地した時点でアームシリンダによりクラムシェルが地面に押し付けられてしまう。クラムシェルが接地してからリレー回路及びリリーフ弁が順次作動してアームシリンダの駆動回路のリリーフ圧が低下するまでに多少の時間がかかるためである。特に伸縮アームが鉛直に対して傾斜した姿勢でクラムシェルが接地すると、伸縮アームにかかる負荷が大きくなる。

本発明の目的は、伸縮アームを伸ばして穴底等の土砂を掘削する際にアームクラウド操作に伴ってクラムシェルバケットが地面に押し付けられて伸縮アームに過度な応力がかかることを抑制できる伸縮アームを有する作業機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、走行体、前記走行体の上部に旋回自在に設けられた旋回体、前記旋回体の前部に上下に回動自在に連結されたブーム、前記ブームの先端に前後に回動自在に連結された伸縮アーム、前記伸縮アームの先端に取り付けられたクラムシェルバケット、前記ブーム及び前記伸縮アームに両端が連結されたアームシリンダ、前記クラムシェルバケットを開閉させるバケット開閉シリンダ、圧油を吐出する少なくとも１つの油圧ポンプ、パイロットポンプ、前記バケット開閉シリンダへの圧油の流れを制御するバケット開閉用のコントロール弁、前記パイロットポンプの吐出油の圧力を元圧として前記コントロール弁のバケット閉じ動作側の受圧部にパイロット圧を出力するパイロット弁を有するバケット開閉用操作装置、前記アームシリンダのボトム側の油室のリリーフ圧を第１設定圧力から第２設定圧力に低下させる可変リリーフ弁、及び前記伸縮アームが設定長さ以上に伸長したことを検出する伸長センサを備えた作業機械において、前記伸長センサにより検出された信号及び前記バケット開閉用操作装置から出力された前記パイロット圧に基づき、前記伸縮アームが前記設定長さ以上に伸長して前記クラムシェルバケットが閉じ操作された場合に、前記可変リリーフ弁による前記アームシリンダのボトム側の油室のリリーフ圧を前記第１設定圧力からそれより低い前記第２設定圧力に切り換えるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、伸縮アームが設定長さ以上に伸びた状態でバケット閉じ操作が行われると、可変リリーフ弁によりアームシリンダのボトム側の油室のリリーフ圧が通常時の第１設定圧力から第２設定圧力に低下する。例えば堅穴の穴底の掘削時にアームクラウド操作が行われたとしても、アームシリンダの駆動圧力が抑えられ、クラムシェルが穴底に過度な力で押し付けられることがない。従って伸縮アームが鉛直に対して傾斜した姿勢で穴底の掘削動作が行われている場合にアームクラウド操作が行われても、伸縮アームに作用する応力を抑制し、伸縮アームを保護することができる。

本発明の第１実施形態に係る作業機械の全体構成を表す側面図図１の作業機械に備えられた伸縮アームのII部の断面図図２中のIII−III線による矢視断面図図１の作業機械に備えられた油圧システムの要部の油圧回路図可変リリーフ機構によるアームシリンダのボトム側の油室のリリーフ圧の変化を表した図レバー操作量とパイロット圧の関係を表す図図１の作業機械が運搬車両の荷台に放土する様子を表した図伸縮アームが傾斜した状態で作業機械のクラムシェルが穴底に到達した様子を表す図本発明の第２実施形態に係る作業機械に備えられた油圧システムの要部の油圧回路図本発明の第３実施形態に係る作業機械に備えられた伸縮アームの断面図本発明の第３実施形態に係る作業機械に備えられた油圧システムの要部の油圧回路図

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

＜第１実施形態＞
−作業機械
図１は本発明に係る作業機械の全体構成を表す側面図である。これ以降、図１中の左右を前後とする。同図に示した作業機械は油圧ショベルの本体をベースにしており、車体１０及び作業機（フロント作業機）２０を備えている。車体１０は、走行体１１及び旋回体１２を備えている。

走行体１１は、本実施形態では無限軌道履帯を有する左右のクローラ１３を備えており、左右の走行駆動装置１４により左右のクローラ１３をそれぞれ駆動することで走行する。走行駆動装置１４には例えば油圧モータと減速機が用いられる。

旋回体１２は、走行体１１上に旋回装置（不図示）を介して旋回可能に設けられている。旋回体１２の前部（本実施形態では前部左側）には、操作者が搭乗する運転室１５が設けられている。図１では堅穴Ｈの中が俯瞰し易いように前方に移動可能な可動式運転室を運転室１５として例示しているが、運転室１５は固定式の運転室であっても良い。旋回体１２における運転室１５の最後部には作業機２０との重量バランスをとるカウンタウェイト１６が備えられている。旋回体１２における運転室１５の後側（運転室１５とるカウンタウェイト１６との間）には原動機Ｅを含む油圧システム（図４）等を収容した動力室１７が備えられている。原動機Ｅはエンジン（内燃機関）又は電動機である。作業機械に搭載された油圧シリンダや油圧モータ等の油圧アクチュエータは油圧システムに含まれる油圧ポンプ（図４の油圧ポンプ３１，３２等）から吐出される圧油によって駆動される。旋回体１２と走行体１１との間に介在する旋回装置には旋回モータが含まれており、旋回モータによって走行体１１に対して旋回体１２が鉛直軸周りに旋回駆動される。本実施形態における旋回モータは油圧モータであるが、電動モータを用いることもあれば、油圧モータ及び電動モータの双方を用いることもある。

作業機２０は、ブーム２１、伸縮アーム２２、クラムシェル（クラムシェルバケット）２３、ブームシリンダ２４及びアームシリンダ２５等を含む多関節型のフロント作業装置である。本実施形態では一般にアームに対してバケットを回動させるバケットシリンダに相当するシリンダは備わっていない。ブーム２１は旋回体１２における前部（本実施形態では前部右側）に左右に延びる軸を介して上下に回動可能に連結されている。伸縮アーム２２はブーム２１の先端に左右に延びる軸を介して前後に回動可能に連結されている（伸縮アーム２２の構成については後述する）。ブームシリンダ２４は旋回体１２及びブーム２１に、アームシリンダ２５はブーム２１及び伸縮アーム２２に、それぞれ両端が連結されている。ブームシリンダ２４及びアームシリンダ２５はいずれも油圧シリンダである。ブームシリンダ２４の伸縮に伴って旋回体１２に対してブーム２１が上下に回動する。アームシリンダ２５の伸縮に伴ってブーム２１に対して伸縮アーム２２が前後に回動する。

伸縮アーム２２の先端（下端）には、吊り具２８を介してクラムシェル２３が取り付けられている。このクラムシェル２３はバケット開閉シリンダ２６及び一対のバケット２７等で構成されている。一対のバケット２７は互いの積荷の収容部を向い合せて対向している。本実施形態ではバケット開閉シリンダ２６に両ロッド式の油圧シリンダを採用している。バケット開閉シリンダ２６のシリンダロッドの一端（上端）は吊り具２８に、他端（下端）は一対のバケット２７の開閉中心にそれぞれ回動自在に連結されている。バケット開閉シリンダ２６のシリンダチューブは一対のバケット２７とそれぞれリンク２９によって連結されている。バケット開閉シリンダ２６が収縮するとバケット２７が閉じ（互いに近付く方向に回動し）、バケット開閉シリンダ２６が伸長するとバケット２７が開く（互いに離れる方向に回動する）構成である。

−伸縮アーム−
図２は図１に示した作業機械に備えられた伸縮アームのII部の断面図であり、前後に延びる鉛直面（ブーム２１の動作平面）で切断した断面を表している。図３は図２中のIII−III線による矢視断面図である。図１と合わせてこれら図２及び図３を参照して分かるように、伸縮アーム２２は多段式の箱型構造（テレスコピック構造）で複数の筒状部材２２ａ〜２２ｃを含んで構成されており、自己の軸方向（長手方向）に伸縮可能である。具体的には、基端側の筒状部材２２ａに中央の筒状部材２２ｂが、筒状部材２２ｂに先端側の筒状部材２２ｃが、それぞれ出入り可能に収納されている。基端側の筒状部材２２ａがブーム２１及びブームシリンダ２４と連結され、筒状部材２２ｃが吊り具２８を介してクラムシェル２３と連結されている。筒状部材２２ａ〜２２ｃの内部には伸縮アーム２２を伸縮させる少なくとも１つのアーム伸縮シリンダ（不図示）が設置されている。アーム伸縮シリンダには例えば片ロッド式の油圧シリンダを用いることができる。アーム伸縮シリンダには滑車（不図示）が取り付けられ、滑車に掛けられたワイヤ（不図示）によってアーム伸縮シリンダと筒状部材２２ａ〜２２ｃが適宜連結されている。アーム伸縮シリンダの伸縮と動滑車機構との協働により伸縮アーム２２が大きく伸縮する構成である。

伸縮アーム２２には、この伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸長したことを検出する伸長センサＳが備えられている。本実施形態の伸長センサＳはリミットスイッチである。最も基部側の筒状部材２２ａの下端付近に、筒状部材２２ｂの外壁面に対向する開口２２ｘが貫通して設けられている。伸長センサＳは筒状部材２２ａの外壁面に固定されたブラケット２２ｙに取り付けられ、開口２２ｘに臨み開口２２ｘを介して筒状部材２２ｂの外壁面に対向する姿勢で筒状部材２２ａに設置されている。ブラケット２２ｙは筒状部材２２ａに対してボルトＢで固定されている（図３）。伸長センサＳに対向する筒状部材２２ｂの外壁面には検出体Ｄが設けられている。この検出体Ｄは筒状部材２２ｂの上端付近に設置されており、伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸びた場合にのみ（伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸びた状態では常に）伸長センサＳに対向するように構成されている。本実施形態では伸長アーム２２が３本の筒状部材２２ａ〜２２ｃで構成されていて２箇所の摺動部を有するため、伸長アーム２２の最大長さをＬｍａｘとすると、検出体Ｄの長さＬｄは（Ｌｍａｘ−Ｌｓ）／２程度である。検出体Ｄの長さＬｄの設定により設定長さＬｓを任意に調節できる。

なお、本実施形態では伸長センサＳとしてリミットスイッチを採用した場合を例示しているが、近接センサで代替することもできる。また、伸縮アーム２２の伸縮機構に用いられた上記滑車の回転角度を検出し、伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上か未満かで入り切りが切り換わる回転計を伸長センサＳとして用いることもできる。伸縮アーム２２の伸縮に伴って距離が変化する２点（例えば筒状部材２２ａ，２２ｂの先端）の距離を計測し、伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上か未満かで入り切りが切り換わる距離計を伸長センサＳとして用いることもできる。

−油圧システム−
図４は図１の作業機械に備えられた油圧システムの要部の油圧回路図である。図１では油圧システムの全体からアームシリンダ２５及びバケット開閉シリンダ２６の動作に関する部分を抜き出して表してある。同図に示した油圧システムは、油圧ポンプ３１，３２、パイロットポンプ３３、コントロール弁３４，３５及び操作装置３６，３７等を含んでいる。

油圧ポンプ３１はアームシリンダ２５を駆動する圧油、油圧ポンプ３２はバケット開閉シリンダ２６を駆動する圧油を吐出する例えば可変容量型のポンプであり、いずれも原動機Ｅにより駆動される。油圧ポンプ３１，３２から吐出された圧油は吐出配管３１ａ，３２ａを流れ、コントロール弁３４，３５を経由してそれぞれアームシリンダ２５及びバケット開閉シリンダ２６に供給される。アームシリンダ２５及びバケット開閉シリンダ２６からの戻り油は、それぞれコントロール弁３４，３５を経由してタンク管路Ｔａに流れ込みタンクＴに戻る。吐出配管３１ａ，３２ａには、これら吐出配管３１ａ，３２ａの最高圧力を規制するリリーフ弁３８が設けられている。なお、本実施形態ではアームシリンダ２５及びバケット開閉シリンダ２６に対して異なる油圧ポンプ３１，３２から圧油が供給される例を示しているが、共通の油圧ポンプで圧油を供給する構成とすることもある。

コントロール弁３４，３５は油圧ポンプ３１，３２から対応するアクチュエータに供給される作動油の流れ（方向及び流量）を制御する油圧駆動式の方向切換弁であり、受圧部に入力されるパイロット圧により駆動される。コントロール弁３４はアームシリンダ２５の駆動制御用、コントロール弁３５はバケット開閉シリンダ２６の駆動制御用である。コントロール弁３４，３５の受圧部は対応する操作装置３６，３７に接続されている。コントロール弁３４，３５は受圧部にパイロット圧が入力されるとスプールが移動して図中の上側又は下側の切換位置に切り換わり、パイロット圧の入力が停止されるとバネ（不図示）の力で中立位置に復帰する構成である。コントロール弁３４，３５の各中立位置は吐出配管３１ａ，３２ａをタンク管路Ｔａに接続して、アームシリンダ２５及びバケット開閉シリンダ２６に対する作動油の給排を停止し、アームシリンダ２５及びバケット開閉シリンダ２６の伸縮動作を停止させる。例えばアームシリンダ２５に対応するコントロール弁３４の下側の受圧部にパイロット圧ｐ１が入力されると、図４においてコントロール弁３４のスプールがパイロット圧ｐ１の大きさに応じた距離だけ上側に移動する。これにより、パイロット圧ｐ１に応じた流量の圧油がアームシリンダ２５のボトム側油室に供給され、パイロット圧ｐ１の大きさに応じた速度でアームシリンダ２５が伸長し伸縮アーム２２がクラウド側に回動する。また、例えばバケット開閉シリンダ２６用のコントロール弁３５の下側の受圧部にパイロット圧ｐ２が入力されると、図４においてコントロール弁３５のスプールがパイロット圧ｐ２の大きさに応じた距離だけ上側に移動する。これにより、パイロット圧ｐ２に応じた流量の圧油がバケット開閉シリンダ２６のロッド側油室に供給され、パイロット圧ｐ２の大きさに応じた速度でバケット開閉シリンダ２６が収縮しクラムシェル２３が閉じる。

パイロットポンプ３３はコントロール弁３４，３５等の制御弁を駆動するパイロット圧の元圧となる作動油を吐出する固定容量型ポンプであり、油圧ポンプ３１，３２と同じく原動機Ｅにより駆動される。原動機Ｅとは別の動力源でパイロットポンプ３３を駆動する構成とすることもできる。パイロットポンプ３３の吐出配管３３ａは分岐して操作装置３６，３７に接続している。この吐出管路３３ａを介して、パイロットポンプ３３から吐出された作動油が操作装置３６，３７のパイロット弁（減圧弁）に供給される。吐出管路３３ａには、この吐出管路３３ａの最高圧力を規制するリリーフ弁３９が設けられている。

操作装置３６，３７は、それぞれ対応するコントロール弁３４，３５を駆動するパイロット圧を操作に応じて生成し出力する油圧式のレバー操作装置であり、運転室１５（図１）に備えられている。操作装置３６はアームシリンダ２５の操作用、操作装置３７はバケット開閉シリンダ２６の操作用である。図４では図示した４つの操作装置のうち右から２番目のものを操作装置３６とした場合を例示しているが、図中最も左側の操作装置３７を除く３つの操作装置のどれかを操作装置３６とすることができる。

アーム操作用の操作装置３６は、アームクラウド指令用のパイロット弁３６ａ及びアームダンプ指令用のパイロット弁３６ｂを備えている。パイロット弁３６ａ，３６ｂの一次ポートには吐出管路３３ａが接続している。アームクラウド指令用のパイロット弁３６ａの二次ポートはコントロール弁３４の下側の受圧部に接続している。アームダンプ指令用のパイロット弁３６ｂの二次ポートはコントロール弁３４の上側の受圧部に接続している。例えば操作装置３６の操作レバーをアームクラウド指令側に倒すとパイロット弁３６ａが操作量に応じた開度で開く。これによりパイロットポンプ３３の吐出油の圧力がパイロット弁３６ａで操作量に応じて減圧され、コントロール弁３４の下側の受圧部に対するパイロット圧ｐ１として出力される。

同様に、バケット開閉操作用の操作装置３７は、バケット閉指令用のパイロット弁３７ａ及びバケット開指令用のパイロット弁３７ｂを備えている。パイロット弁３７ａ，３７ｂの一次ポートは吐出管路３３ａに接続している。バケット開閉操作用のパイロット弁３７ａの二次ポートはコントロール弁３５の下側の受圧部に接続している。バケット開指令用のパイロット弁３７ｂの二次ポートはコントロール弁３５の上側の受圧部に接続している。例えば操作装置３７の操作レバーをバケット閉指令側に倒すとパイロット弁３７ａが操作量に応じた開度で開く。これによりパイロットポンプ３３の吐出油の圧力がパイロット弁３７ａで操作量に応じて減圧され、コントロール弁３５の下側の受圧部に対するパイロット圧ｐ２として出力される。

また、吐出管路３３ａには、ゲートロックバルブ３３ｂが設けられている。ゲートロックバルブ３３ｂはゲートロックレバー（不図示）のポジションに応じて吐出管路３３ａを開閉する開閉弁であり、この例ではノーマルクローズ型の電磁弁を例示している。ゲートロックレバーは、寝かせた倒伏姿勢でオペレータの降車を妨げるように運転席の乗降側（本例では左側）に設置されたレバー状のゲートである。このゲートロックレバーを引き上げて運転席に対する乗降部を開放しなければ、オペレータは降車できないようになっている。具体的には、ゲートロックレバーが寝かせたロック解除位置にあるとき、例えばゲートロックレバーのポジションを検知するポテンショメータから出力される電気信号によりゲートロックバルブ３３ｂのソレノイドが励磁される。これによりゲートロックバルブ３３ｂが図中右側のポジションに切り換わり、吐出管路３３ａが開通して操作装置３６，３７にパイロットポンプ３３の作動油が供給される。反対にゲートロックレバーが起立したロック位置でポテンショメータからの信号出力が停止した場合、ゲートロックバルブ３３ｂのソレノイドが消磁される。これによりゲートロックバルブ３３ｂが図中左側のポジションに切り換わり、吐出管路３３ａが遮断されて操作装置３６，３７へのパイロットポンプ３３の吐出油の供給が遮断される。これによりコントロール弁３４，３５が強制的に中立位置に切り換わり、アームシリンダ２５やバケット開閉シリンダ２６が動作不能になる。

−可変リリーフ機構−
本実施形態の作業機械には、伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸長してクラムシェルバケット２３の閉じ操作がされると、アームシリンダ２５のボトム側（伸長動作側）の油室のリリーフ圧を通常時よりも低下させる可変リリーフ機構が備わっている。この可変リリーフ機構は、伸長センサＳから出力される信号及びバケット開閉用の操作装置３７から出力されたパイロット圧ｐ２に基づいて作動する。この可変リリーフ機構は、可変リリーフ弁（パイロットリリーフ弁）１、開閉弁２、電磁弁３、リレースイッチ４等で構成されている。

可変リリーフ弁１は、アームシリンダ２５のボトム側の油室とコントロール弁３４とを接続する油圧管路から分岐してタンク管路Ｔａに接続するリリーフ管路１ａに設けられている。可変リリーフ弁１の受圧部にパイロット圧ｐ３が加わると、図５のようにアームシリンダ２５のボトム側の油室のリリーフ圧Ｐｒが第１設定圧力Ｐｒ１（ばねのみで規定される圧力）から第２設定圧力Ｐｒ２（ばねとパイロット圧ｐ３で規定される圧力）に低下する。第１設定圧力Ｐｒ１はリリーフ弁３８による設定圧力よりも低く、第２設定圧力Ｐｒ２は第１設定圧力Ｐｒ１よりも更に低く設定されている。特に、第２設定圧力Ｐｒ２は、伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸長し鉛直に対して設定角度θ１だけ傾斜した状態で伸縮アーム２２及びクラムシェル２３の自重によりアームシリンダ２５のボトム側の油室に作用する圧力よりも低く設定されている。θ１は鉛直に対する伸縮アーム２２の傾斜角度θ（図８）についての設定角度であり、設定角度θ１は任意に設定できるが、少なくとも４５°よりは小さく、例えば１０°程度である。

開閉弁２は、パイロットポンプ３３の吐出管路３３ａと可変リリーフ弁１の受圧部とを接続するリリーフ圧切換用のパイロットライン２ａに設けられており、パイロット圧ｐ２が受圧部に作用するとパイロットライン２ａを開閉する。受圧部にパイロット圧ｐ２が作用して開閉弁２が開く（図中の右側の切換位置に切り換わる）とパイロットライン２ａが開通し、パイロットポンプ３３の吐出油の圧力を元圧とするパイロット圧ｐ３が可変リリーフ弁１の受圧部に作用する。受圧部へのパイロット圧ｐ２の作用が停止すると開閉弁２は閉じ（図中の左側の切換位置に切り換わり）、パイロットライン２ａを遮断すると共に可変リリーフ弁１の受圧部をタンクＴに接続する。

ところで、運転室１５で操作装置３７によりバケット閉じ操作を行うと、図６のようにレバー操作量ｔに応じてパイロット弁３７ａからパイロット圧ｐ２が出力される。操作装置３７には不感帯があり、レバー操作量ｔが０からｔａまでの間は出力されるパイロット圧ｐ２は０である。レバー操作量ｔがｔａ（＞０）に達するとパイロット弁３７ａから出力されるパイロット圧ｐ２がｐａ（＞０）まで立ち上がる。レバー操作量ｔがｔａからｔｂ（＞ｔａ）まで増加する間はパイロット圧ｐ２がｔに比例してｐａから最高値ｐｍａｘ（＞ｐａ）まで上昇する。ｔｂ以上のレバー操作量ｔではパイロット圧ｐ２は最高値ｐｍａｘで一定である。バケット開閉用のコントロール弁３５の受圧部にはパイロット弁３７ａで生成されるパイロット圧ｐ２が操作装置３７のレバー操作量ｔがｔａに至った時点から作用し始める。しかし、応答遅延を伴うため、コントロール弁３５のスプールが動き始めるのはパイロット圧ｐ２がｐａまで立ち上がって以降である。コントロール弁３５が駆動してバケット開閉シリンダ２６が動作し始めるのは時間的には更に後である。

それに対し、開閉弁２はパイロット弁３７ａから出力されるパイロット圧ｐ２がｐａよりも低いｐｘまで立ち上がった時点で駆動するようにばね力が設定してある。つまり可変リリーフ機構は、コントロール弁３４のばね力よりも開閉弁２のばね力が低めに設定してあり、バケット開閉シリンダ２６や同様の回路構成のアームシリンダ２５よりも応答良く作動するように構成されている。

電磁弁３は、バケット開閉用のパイロットライン３ａに設けられており、パイロットライン３ａを開閉する。パイロットライン３ａは、バケット閉じ操作用のパイロット弁３７ａとコントロール弁３５のバケット閉じ動作側の受圧部とを接続するパイロットライン３７ａａから分岐して開閉弁２の受圧部に接続する油路である。電磁弁３はソレノイドが励磁されると図中の左側の切換位置に切り換わり、パイロットライン３ａを開通させる。この状態でパイロット弁３７ａからパイロット圧ｐ２が出力されると、そのパイロット圧ｐ２が開閉弁２の受圧部にも作用する。電磁弁３はソレノイドが消磁されると図中の右側の切換位置に切り換わり、パイロットライン３ａを遮断すると共に開閉弁２の受圧部をタンクＴに接続する。

リレースイッチ４は、伸長センサＳに給電する電源（例えばバッテリ）５と電磁弁３のソレノイドとを接続する信号線５ａに設けられており、伸長センサＳから出力される信号に応じて作動する。伸長センサＳが入り状態になってリレーが励磁されるとリレースイッチ４の接点が閉じ、電磁弁３のソレノイドが電源５に繋がる。これにより電磁弁３が作動して図中左側の切換位置に切り換わる。伸長センサＳが切り状態になってリレーが消磁されるとリレースイッチ４の接点が開き、電磁弁３のソレノイドと電源５との接続が遮断される。これにより電磁弁３が図中右側の切換位置に戻る。

なお、本実施形態ではリレースイッチ４を用いて可変リリーフ機構が作動する構成を例示したが、例えばコントローラ（コンピュータ）により開閉弁２を開閉制御する構成としても良い。この場合、例えば開閉弁２を電磁駆動式に変更すると共に、操作装置３７のレバー操作に応じて電気信号を出力するポテンショメータを設ける。伸長センサＳとポテンショメータの信号を基にコントローラで作動条件を判定し、条件が満たされた場合にコントローラの出力信号により開閉弁２のソレノイドを励磁（不満足の場合は消磁）して可変リリーフ弁１にパイロット圧ｐ３を付加する構成である。操作装置３７は電気レバーにしても良く、その場合電磁弁３は不要である。また、可変リリーフ弁１に電磁駆動式リリーフ弁を用い、コントローラからの信号により可変リリーフ弁１によるリリーフ圧が直接切り換えられる構成とすることも考えられる。

−動作−
・掘削作業
作業機械による掘削作業について説明する。例えば堅穴掘削作業を行う場合、まず走行体１１を駆動して図１のように堅穴Ｈの近くまで作業機械を移動させる。次にブーム２１及び伸縮アーム２２を駆動して堅穴Ｈにクラムシェル２３を入れ、アーム伸縮シリンダを伸長させて伸縮アーム２２を伸ばし、クラムシェル２３を下ろして穴底に押し付ける。その間、クラムシェル２３のバケット開閉シリンダ２６を伸長させ、バケット２７は開いた状態にしておく。クラムシェル２３が穴底に到達したらバケット開閉シリンダ２６を収縮させ、クラムシェル２３を閉じてバケット２７の内部に土砂を掻き込む。バケット２７に土砂を収容したらアーム伸縮シリンダを収縮させ、伸縮アーム２２を縮めてクラムシェル２３を地上に引き上げる。伸縮アーム２２を最収縮させたら、旋回体１２を旋回させつつブームシリンダ２４及びアームシリンダ２５を適宜駆動して、図７に示したようにダンプトラック等の運搬車両Ｖの荷台の上方にクラムシェル２３を移動させる。そしてバケット開閉シリンダ２６伸長させてバケット２７を開くことにより、運搬車両Ｖの荷台に土砂を排出することができる。堅穴Ｈの掘削作業が完了するまで以上の作業を繰り返す。

・可変リリーフ機構の動作
伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸びていること、バケット閉じ操作が行われていることの２つの条件が同時に満たされた場合にのみ可変リリーフ機構が作動する。図１に示したように伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸びると、図２に示したように伸長センサＳの対向位置に検出体Ｄが移動してきて伸長センサＳが入り状態（ＯＮ）になる。伸長センサＳが入り状態になると、図４において伸長センサＳから出力される信号によりリレースイッチ４のリレーが励磁され、リレースイッチ４の接点が閉じる。その結果、電磁弁３のソレノイドが電源５に接続し、ソレノイドが励磁されて電磁弁３が開位置（左側の切換位置）に切り換わり、開閉弁２の受圧部がバケット閉じ操作用のパイロット弁３７ａの二次ポートに接続する。この状態で操作装置３７によりバケット閉じ操作が行われると、パイロット弁３７ａからバケット開閉用のコントロール弁３５に出力されるパイロット圧ｐ２が電磁弁３を介して開閉弁２の受圧部にも作用し、開閉弁２が開位置（右側の切換位置）に切り換わる。開閉弁２が開くとパイロットポンプ３３の吐出圧を元圧とするパイロット圧ｐ３が開閉弁２を介して可変リリーフ弁１の受圧部に作用する。これにより可変リリーフ弁１によるアームシリンダ２５のボトム側の油室のリリーフ圧Ｐｒが第１設定圧力Ｐｒ１から第２設定圧力Ｐｒ２に低下する。つまり操作装置３６によりアームクラウド操作がされた際のアームシリンダ２５の伸長動作の駆動圧力の最高値が低下する。

伸縮アーム２２が設定長さＬｓ未満に収縮している場合、電磁弁３が閉じ位置であるためバケット閉じ操作の有無に関わらず可変リリーフ機構は作動しない。また伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸長した状態でも、バケット閉じ操作が行われなければ開閉弁２が閉じ位置であるため可変リリーフ機構は作動しない。例えば図７のような放土作業をする場合には、堅穴Ｈからクラムシェル２３を引き上げる際に伸縮アーム２２の長さが設定長さＬｓ未満に収縮するのでアームダンプ動作が可能となる。またバケット閉じ操作を行わなければ伸縮アーム２２の長さによらず可変リリーフ機構は作動しないので、バケット閉じ操作をせずに伸縮アーム２２を傾斜させつつ伸縮アーム２２を伸ばしていくことで、堅穴Ｈの穴底の隅にクラムシェル２３を下ろすこともできる。この場合でも掘削時（バケット閉じ操作時）には可変リリーフ機構が作動するので、仮にアームクラウド操作が行われてもクラムシェル２３が強く穴底に押し付けられることはない。

−効果−
（１）伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸びると電磁弁３が開き、その状態でバケット閉じ操作が行われると開閉弁２が開き、パイロットポンプ３３の吐出油の圧力を元圧として開閉弁２から出力されるパイロット圧ｐ３が可変リリーフ弁１の受圧部に作用する。これによりアームシリンダ２５のボトム側の油室のリリーフ圧が通常時の第１設定圧力Ｐｒ１から第２設定圧力Ｐｒ２に低下する。例えば堅穴Ｈの穴底の掘削時にアームクラウド操作が行われたとしても、アームシリンダ２５の駆動圧力が抑えられ、クラムシェル２３が穴底に過度な力で押し付けられることがない。従って図８のように伸縮アーム２２が鉛直に対して傾斜した姿勢で穴底の掘削動作が行われている場合にアームクラウド操作が行われても、伸縮アーム２２に作用する応力を抑制し、伸縮アーム２２を保護することができる。

（２）前述した通り第２設定圧力Ｐｒ２は設定長さＬｓ以上に伸びた伸縮アーム２２を設定角度θ１以上で傾斜した姿勢で保持不能な低い値に設定されている。またクラムシェル２３を下ろしながらバケット閉じ操作をする場合のように、伸縮アーム２２が設定長さＬｓまで伸びた時点でクラムシェル２３の開動作が行われていれば、クラムシェル２３が穴底に到達していなくても可変リリーフ機構が作動する。この場合、伸縮アーム２２が設定角度θ１以上で傾斜していれば、クラムシェル２３が穴底に向かう過程で伸縮アーム２２が自重で鉛直姿勢に近付いていく。これにより伸縮アーム２２が必要以上に傾斜した状態で掘削作業が行われること自体を抑制できる。

＜第２実施形態＞
図９は本発明の第２実施形態に係る作業機械に備えられた油圧システムの要部の油圧回路図である。図９は図４に対応する図である。本実施形態が特徴とする点は、アームシリンダ２５の油室の最高圧力（アームシリンダ２５の駆動圧の最高値）を規定するオーバーロードリリーフ弁４１，４２を備えている点である。オーバーロードリリーフ弁４１は、アームシリンダ２５のボトム側（ボトム側）の油室とコントロール弁３４とを接続する管路に可変リリーフ弁１と共に設けられている。オーバーロードリリーフ弁４２は、アームシリンダ２５の収縮動作側（ロッド側）の油室とコントロール弁３４とを接続する管路に設けられている。アームシリンダ２５以外の油圧シリンダ（バケット開閉シリンダ２６等）にも同様に対応するコントロール弁と油室とを接続する管路にオーバーロードリリーフ弁が設けられている。本実施形態においては、可変リリーフ弁１の第１設定圧力Ｐｒ１は、アームシリンダ２５のボトム側の油室のオーバーロードリリーフ弁４２による設定リリーフ圧（最高圧力）よりも高く設定されている。また第２設定圧力Ｐｒ２は、オーバーロードリリーフ弁４２による設定リリーフ圧よりも低く設定されている。オーバーロードリリーフ弁４１，４２によるリリーフ圧は、所定の長さ以上に伸びた状態の伸縮アーム２２を傾斜角度θによらず保持できる値である。その他の点については、本実施形態は第１実施形態と同様である。

本実施形態においては、可変リリーフ弁１による第１設定圧力Ｐｒ１がオーバーロードリリーフ弁４１によるリリーフ圧よりも高いので、可変リリーフ弁１によってダンプ作業時等にオーバーロードリリーフ弁４１の機能が妨げられることはない。第２設定圧力Ｐｒ２はオーバーロードリリーフ弁４１によるリリーフ圧より低いので、可変リリーフ機構の作動条件が満たされた状態で伸縮アーム２２にクラウド側への力が加わった場合には、オーバーロードリリーフ弁４１に優先して可変リリーフ弁１が作動する。よって、オーバーロードリリーフ弁４１を備えた本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
図１０は本発明の第３実施形態に係る作業機械に備えられた伸縮アームの断面図、図１１は本発明の第３実施形態に係る作業機械に備えられた油圧システムの要部の油圧回路図である。図１０は図２に、図１１は図４に対応する図である。本実施形態が第１実施形態と相違する点は、リレースイッチ４の接点が励磁状態で開き消磁状態で閉じ、伸長センサＳが切り状態の場合にのみ電磁弁３が作動する（図１１中の左側の切換位置に切り換わる）点である。そのため、本実施形態では、図１に示したように検出体Ｄが筒状部材２２ｂの上端（筒状部材２２ａに対する筒状部材２２ｂのストロークの上端）から長さＬｄの領域を除く、それよりも下側の領域に設置されている。これにより伸長センサＳの入り切りの場面が第１実施形態と逆転している。その他の点は、可変リリーフ機構の作動条件を含めて第１実施形態と同様である。

本実施形態において伸縮アーム２２が設定長さＬｓに満たない状態では伸長センサＳが常に入り状態となり、図１１のようにリレースイッチ４の接点が開いた状態である。この状態では電磁弁３のソレノイドは励磁されないので、開閉弁２の受圧部にパイロット圧ｐ２が作用することもなく、可変リリーフ弁１によるリリーフ圧Ｐｒの切り換え（低下）も行われない。伸縮アーム２２が設定長さＬｓ以上に伸びると、伸長センサＳが切り状態になってリレースイッチ４の接点が閉じ、電磁弁３のソレノイドが励磁され電磁弁３が図１１中の左側の切換位置に切り換わる。その後は第１実施形態と同様である。つまりバケット閉じ操作が行われると開閉弁２が右側の切換位置に切り換わり、可変リリーフ弁１にパイロット圧ｐ３が作用して、アームシリンダ２５のボトム側の油室のリリーフ圧Ｐｒが第１設定圧力Ｐｒ１から第２設定圧力Ｐｒ２に低下する。本実施形態においても第１実施形態と同様の効果が得られる。また本実施形態の第１実施形態との構成的相違点は第２実施形態にも適用できることは言うまでもない。

１…可変リリーフ弁、２…開閉弁、２ａ…パイロットライン（リリーフ圧切換用のパイロットライン）、３…電磁弁、３ａ…パイロットライン（バケット開閉用のパイロットライン）、４…リレースイッチ、１１…走行体、１２…旋回体、２１…ブーム、２２…伸縮アーム、２３…クラムシェルバケット、２５…アームシリンダ、２６…バケット開閉シリンダ、３１，３２…油圧ポンプ、３３…パイロットポンプ、３３ａ…吐出管路、３５…コントロール弁（バケット開閉用のコントロール弁）、３７…操作装置（バケット開閉用操作装置）、３７ａ，３７ｂ…パイロット弁、３７ａａ…パイロットライン、４１，４２…オーバーロードリリーフ弁、ｐ２，ｐ３…パイロット圧、Ｐｒ…リリーフ圧、Ｐｒ１…第１設定圧力、Ｐｒ２…第２設定圧力、Ｓ…伸長センサ

Claims

走行体、前記走行体の上部に旋回自在に設けられた旋回体、前記旋回体の前部に上下に回動自在に連結されたブーム、前記ブームの先端に前後に回動自在に連結された伸縮アーム、前記伸縮アームの先端に取り付けられたクラムシェルバケット、前記ブーム及び前記伸縮アームに両端が連結されたアームシリンダ、前記クラムシェルバケットを開閉させるバケット開閉シリンダ、圧油を吐出する少なくとも１つの油圧ポンプ、パイロットポンプ、前記バケット開閉シリンダへの圧油の流れを制御するバケット開閉用のコントロール弁、前記パイロットポンプの吐出油の圧力を元圧として前記コントロール弁のバケット閉じ動作側の受圧部にパイロット圧を出力するパイロット弁を有するバケット開閉用操作装置、前記アームシリンダのボトム側の油室のリリーフ圧を第１設定圧力から第２設定圧力に低下させる可変リリーフ弁、及び前記伸縮アームが設定長さ以上に伸長したことを検出する伸長センサを備えた作業機械において、
前記伸長センサにより検出された信号及び前記バケット開閉用操作装置から出力された前記パイロット圧に基づき、前記伸縮アームが前記設定長さ以上に伸長して前記クラムシェルバケットが閉じ操作された場合に、前記可変リリーフ弁による前記アームシリンダのボトム側の油室のリリーフ圧を前記第１設定圧力からそれより低い前記第２設定圧力に切り換えるように構成したことを特徴とする伸縮アームを備えた作業機械。
請求項１に記載の伸縮アームを備えた作業機械において、
前記パイロットポンプの吐出管路と前記可変リリーフ弁の受圧部とを接続するリリーフ圧切換用のパイロットラインと、
前記リリーフ圧切換用のパイロットラインを開閉する開閉弁と、
前記パイロット弁と前記コントロール弁のバケット閉じ動作側の受圧部とを接続するパイロットラインから分岐して前記開閉弁の受圧部に接続するバケット開閉用のパイロットラインと、
前記バケット開閉用のパイロットラインを開閉する電磁弁と、
前記伸長センサから出力される信号に応じて作動し前記電磁弁を駆動して前記電磁弁のソレノイドと電源とを接続する接点を開閉するリレースイッチとを備え、
前記伸縮アームが前記設定長さ以上に伸長し前記リレースイッチの接点が閉じ前記電磁弁が開いた状態で前記クラムシェルバケットの閉じ操作がされた場合、バケット開閉用操作装置からのパイロット圧により前記開閉弁が開いて前記可変リリーフ弁に前記パイロットポンプの吐出油の圧力を元圧としたパイロット圧が作用し、前記アームシリンダのボトム側の油室のリリーフ圧を前記第１設定圧力から前記第２設定圧力に低下させることを特徴とする伸縮アームを備えた作業機械。
請求項１に記載の伸縮アームを備えた作業機械において、前記第２設定圧力は、前記伸縮アームが前記設定長さ以上に伸長し鉛直に対して設定角度で傾斜した状態でアームシリンダのボトム側の油室に前記伸縮アーム及び前記クラムシェルバケットの自重により作用する圧力よりも低く設定してあることを特徴とする伸縮アームを備えた作業機械。
請求項１に記載の伸縮アームを備えた作業機械において、
前記アームシリンダのボトム側の油室の最高圧力を規定するオーバーロードリリーフ弁を備え、
前記第１設定圧力は前記最高圧力よりも高く、前記第２設定圧力は前記最高圧力よりも低く設定してあることを特徴とする伸縮アームを備えた作業機械。