JP3766827B2 - 油圧駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、油圧ショベル等油圧式作業機械の油圧駆動装置に係わり、特に、いわゆる超大型の建設機械に好適な油圧駆動装置に関する。
油圧式作業機械の一例として例えば70tクラスの超大型油圧ショベルの場合、超大型機であるため、複数備えられる油圧シリンダの特にボトム側を駆動するためには大量の作動油を供給する必要がある。このような通常よりも大流量供給に配慮した従来の油圧式作業機械としては、原動機によって駆動される一の油圧ポンプ及びこれとは別の他の油圧ポンプと、それら2つの油圧ポンプからの吐出油により駆動されるブーム用の油圧シリンダと、一の油圧ポンプとブーム用の油圧シリンダとの間に接続された一のコントロールバルブと、他の油圧ポンプとブーム用の油圧シリンダとの間に接続された他のコントロールバルブと、一のコントロールバルブ及び他のコントロールバルブとブーム用油圧シリンダのボトム側及びロッド側とをそれぞれ接続する油圧管路とを備えたものがある(例えば、特許文献1)。
この従来技術では、 一の油圧ポンプから吐出され一のコントロールバルブを介した圧油と他の油圧ポンプから吐出され他のコントロールバルブを介した圧油とを合流させて、ブーム用油圧シリンダのボトム側又はロッド側に供給すると共に、その戻り油を分流して一のコントロールバルブ及び他のコントロールバルブを介しタンクへ排出するようになっている。
特開昭56−115428号(第1図)
上記従来技術は、一の油圧ポンプより一のコントロールバルブを介しブーム用油圧シリンダに圧油を供給する通常の構成に対して、他の油圧ポンプ、他のコントロールバルブを介した圧油を合流させて加えることで、約2倍の流量の圧油を供給可能となっている。
ここで、このように通常よりも超高圧・超大流量の圧油を供給するためには超大口径のホースや鋼管等で主管路を構成することが必要となるが、実用的に現在の市場に存在するホースは最大口径が2インチ程度でありこれを多数(例えば2本または3本ずつ)並べて対応せざるを得ない。したがって、油圧アクチュエータが要求する給排流量に対する主管路としての許容量が制約され各ホースにおいて比較的大きな圧力損失が生じる。よって、超大型機のホースや鋼管等で構成される長い管路及びコントロールバルブ(流量制御切換弁)等を含む油圧回路全体では、非常に大きな圧力損失が生じ、エネルギー損失が増大し、また油圧アクチュエータの作動速度が落ち作業効率が悪くなる問題がある。この大きな圧力損失の結果、特に、各種複合操作を高効率かつ高速で行うのは困難であった。
本発明の目的は、超大型機に適用した場合もホース数や鋼管等の管路の総延長を減らして全体の圧力損失を低減し、各種複合操作を高効率かつ高速で行うことができる油圧駆動装置を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明によれば、作業機本体、及びこの作業機本体に上下方向に回動可能に連結された複数のフロント部材から構成されるフロント装置を備えた油圧式作業機械に設けられ、少なくとも1つの油圧ポンプと、前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧シリンダと、前記作業機本体に設けられ、前記油圧ポンプから吐出された圧油を前記複数の油圧シリンダにそれぞれ導き対応する油圧シリンダの駆動を制御する複数の流量制御切換弁と、前記油圧ポンプとは別に前記作業機本体に設けられた少なくとも1つの他の油圧ポンプと、前記作業機本体に設けられた油圧タンクと、前記作業機本体に設けられ、前記他の油圧ポンプから吐出された圧油が導かれる吐出管路及び圧油を前記油圧タンクへと導くタンク管路と、前記フロント装置に設けられ、前記流量制御切換弁と対応する油圧シリンダのボトム側及びロッド側のうちいずれか一方とをそれぞれ接続する複数の第1接続管路と、前記フロント装置に設けられ、一方側が前記吐出管路に接続された第2接続管路と、前記フロント装置に設けられ前記第2接続管路の他方側から分岐するようにそれぞれ接続されるとともに、該第2接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち少なくとも前記油圧シリンダのボトム側に接続されるものにそれぞれ接続された複数の第1管路と、これら複数の第1管路にそれぞれ設けられ、前記他の油圧ポンプから前記油圧シリンダへ向かう圧油の流れを制御する複数の第1流量制御手段と、前記フロント装置に設けられ、一方側が前記タンク管路に接続された第3接続管路と、前記フロント装置に設けられ前記第3接続管路の他方側から分岐するようにそれぞれ接続されるとともに、該第3接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち少なくとも前記油圧シリンダのボトム側に接続されるものにそれぞれ接続された複数の第2管路と、これら複数の第2管路にそれぞれ設けられ、前記油圧シリンダから前記第3接続管路へ向かう圧油の流れを制御する複数の第2流量制御手段と、前記複数の流量制御切換弁のストローク量をそれぞれ制御する複数の操作手段と、各流量制御切換弁と対応する前記第1流量制御手段及び第2流量制御手段の駆動を関連づけて制御する制御手段とを有することを特徴とする油圧駆動装置が提供される。
すなわち、まず例えば油圧シリンダの伸び動作時を考えると、少なくとも1つの油圧ポンプから吐出された圧油は、複数の流量制御切換弁を介し、第1接続管路のうち各油圧シリンダのボトム側に接続されるものに供給される。このとき同時に、各流量制御切換弁と対応する前記第1流量制御手段が制御手段によって関連づけて制御され、少なくとも1つの他の油圧ポンプから吐出された圧油も、吐出管路、第2接続管路、及び第2接続管路から分岐するように接続された第1管路を介し、かつその流量を、第1管路に設けられた第1流量制御手段で調整されて、流量制御切換弁を介すことなく、そのボトム側に接続される第1接続管路に供給される。これによって、例えば超大型機における対応する油圧シリンダのボトム側に超大流量の圧油を導いて油圧シリンダを伸び動作方向に駆動しフロント部材をそれぞれ動作させることができる。
一方、次に、例えば油圧シリンダの縮み動作時を考えると、各油圧シリンダのボトム側からの戻り油の一部は、第1接続管路のうち各油圧シリンダのボトム側に接続されるものから複数の流量制御切換弁を介してタンク管路に導かれる。このとき同時に、各流量制御切換弁と対応する前記第2流量制御手段が制御手段によって関連づけて制御され、各油圧シリンダのボトム側からの戻り油の残りは、そのボトム側に接続される第1接続管路、第3接続管路から分岐するように接続された第2管路、及び第3接続管路を介し、かつその流量を、第2管路に設けられた第2流量制御手段で調整されて、タンク管路に導かれる。これら2つの戻りルートを用いることで、例えば超大型機における対応する油圧シリンダのボトム側から超大流量の圧油を排出して油圧シリンダを縮み方向に駆動しフロント部材をそれぞれ動作させることができる。
ここで、例えば単純に、少なくとも1つの油圧ポンプ、複数の流量制御切換弁、複数の第1接続管路を加え、この加えた第1接続管路の下流側をもともとある第1接続管路に接続しても、例えば超大流量の超大型機における上記のような各油圧シリンダの伸び動作・縮み動作に対応することができる。しかしながらこの場合、フロント装置において作業機本体側からブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダの順で設けられた各油圧シリンダのボトム側に高圧ラインである第1接続管路として第1の流量制御切換弁グループからと、第2の流量制御切換弁グループからとを合わせ、例えば2本ずつ設けられることになる。よって、フロント装置の作業機本体側から各油圧シリンダ、すなわちブームシリンダ・アームシリンダ・バケットシリンダのボトム側までの高圧ラインの管路の数は、フロント装置のうちブームシリンダより手前では、ブームシリンダのボトム側への第1接続管路2本、アームシリンダのボトム側への第1接続管路2本、バケットシリンダのボトム側への第1接続管路2本の合計6本であり、フロント装置のうちブームシリンダを超えてアームシリンダより手前では、アームシリンダのボトム側への第1接続管路2本、バケットシリンダのボトム側への第1接続管路2本の合計4本であり、フロント装置のうちアームシリンダを超えてバケットシリンダより手前では、バケットシリンダのボトム側への第1接続管路2本となる。
これに対し、本発明においては、油圧ポンプ、流量制御切換弁、他の油圧ポンプ、吐出管路、及びタンク管路は作業機本体に設けられており、第1接続管路、第2接続管路、第3接続管路、第1管路、第2管路、第1流量制御手段、第2流量制御手段、及び油圧シリンダはフロント装置に設置されている。したがって、各第1管路及び各第2管路が第2及び第3接続管路から分岐して接続される分岐接続位置を対応する油圧シリンダ近傍に配置することとし、すなわち第2及び第3接続管路のブームシリンダ近傍位置からブームシリンダのボトム側への第1及び第2管路を分岐させ、さらに先へ進んで第2及び第3接続管路のアームシリンダ近傍位置からアームシリンダのボトム側への第1及び第2管路を分岐させ、さらに先へ進んで第2及び第3接続管路のバケットシリンダ近傍位置からバケットシリンダのボトム側への第1及び第2管路を分岐させることとすれば、圧力損失を考える上で特に問題となる各油圧シリンダボトム側までの高圧ラインの管路数が、フロント装置の大部分において従来構造を応用した場合よりも減少する。具体的には、第3接続管路は低圧ラインであることから高圧ラインの数は、フロント装置のうちブームシリンダ近傍より手前では、ブームシリンダボトム側への第1接続管路1本、アームシリンダボトム側への第1接続管路1本、バケットシリンダボトム側への第1接続管路1本、及び第2接続管路1本の合計4本であり、フロント装置のうちブームシリンダ近傍を超えてアームシリンダ近傍より手前では、アームシリンダボトム側への第1接続管路1本、バケットシリンダボトム側への第1接続管路1本、及び第2接続管路1本の合計3本であり、ここまでは各油圧シリンダボトム側への高圧ライン管路数をいずれも減少させることができる。よって、その分高圧ライン全体のホース数(あるいは鋼管数)を減らしその延長を短くすることができるので、高圧ライン全体の圧力損失を低減することができる。このようにして全体の圧力損失を低減できる結果、各種複合操作を高効率かつ高速で行うことが可能となる。
好ましくは、前記油圧駆動装置において、前記制御手段は、前記複数の流量制御切換弁のうち少なくとも1つを介した圧油が対応する第1接続管路に十分に供給されるようになった後に、対応する第1流量制御手段を介した圧油が該対応する第1接続管路に供給開始されるように、前記複数の流量制御切換弁及び前記第1流量制御手段の駆動を関連づけて制御する。
すなわち、微小流量の制御を流量制御弁のみで行い、ある程度以上の流量となってからの制御を流量制御弁と第1流量制御手段との両方で行うようにする。そしてこのときの、第1流量制御手段からの圧油供給開始時のショックを抑えることができる。
また好ましくは、前記油圧駆動装置において、前記制御手段は、前記操作手段の操作量が相対的に小さい第1操作量領域では、前記操作量の増加量に対し相対的に小さい割合で前記流量制御切換弁のみをストロークさせ、対応する第1接続管路に圧油を供給し、前記操作手段の操作量が相対的に大きい第2操作量領域では、前記操作量の増加量に対し相対的に大きい割合で前記流量制御切換弁をストロークさせ、前記対応する第1接続管路に圧油を供給するとともに、前記操作量の増加量に対し所定の割合で対応する第1流量制御手段をストロークさせ、対応する第1管路を介して前記対応する第1接続管路に圧油を供給する。
すなわち、微小流量の制御は、第1操作量領域で操作量の増加量に対し比較的小さい割合で流量制御切換弁のみをストロークさせることで行い、ある程度以上の流量が発生した後の流量制御は、第2操作量領域で操作量の増加量に対し比較的大きな割合で流量制御切換弁をストロークさせるとともに第1流量制御手段も所定割合でストロークさせ、流量制御切換弁と第1流量制御手段との両方で行うようにする。このようにすることにより、第1流量制御手段から圧油供給を開始した時のショックを抑えることができる。
また好ましくは、前記油圧駆動装置において、前記複数の第1管路のうち少なくとも1つは、前記第2接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち前記油圧シリンダのロッド側に接続されるものに接続されており、この少なくとも1つの第1管路に設けられた前記第1流量制御手段は、前記他の油圧ポンプから前記油圧シリンダのロッド側へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記油圧シリンダのロッド側から前記他の油圧ポンプへ向かう圧油の流れを遮断し、前記制御手段は、前記複数の第1管路のうち前記油圧シリンダのロッド側に接続された少なくとも1つの前記第1流量制御手段を駆動して該油圧シリンダのロッド側に前記他の油圧ポンプからの圧油を供給したとき、該油圧シリンダのボトム側に接続された前記第2管路に設けられた前記第2流量制御手段を駆動して、該油圧シリンダのボトム側からの戻り油を前記油圧タンクへ流す。
また好ましくは、前記油圧駆動装置において、前記複数の第1管路のうち少なくとも1つは、前記第2接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち前記油圧シリンダのロッド側に接続されるものに接続されており、この少なくとも1つの第1管路に設けられた前記第1流量制御手段は、前記他の油圧ポンプから前記油圧シリンダのロッド側へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記油圧シリンダのロッド側から前記他の油圧ポンプへ向かう圧油の流れを遮断し、前記複数の第2管路のうち少なくとも1つは、前記第3接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち前記少なくとも1つの第1管路が接続されている前記油圧シリンダのロッド側に接続されるものに接続されており、この少なくとも1つの第2管路に設けられた前記第2流量制御手段は、前記油圧シリンダのロッド側から前記油圧タンクへ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記油圧タンクから前記油圧シリンダのロッド側へ向かう圧油の流れを遮断し、前記制御手段は、前記複数の第1管路のうち前記油圧シリンダのロッド側に接続された少なくとも1つの前記第1流量制御手段を駆動して該油圧シリンダのロッド側に前記他の油圧ポンプからの圧油を供給したとき、該油圧シリンダのボトム側に接続された前記第2管路に設けられた前記第2流量制御手段を駆動して、該油圧シリンダのボトム側からの戻り油を前記油圧タンクへ流す。
すなわち、まず例えば油圧シリンダの伸び動作時を考えると、少なくとも1つの油圧ポンプから吐出された圧油に、少なくとも1つの他の油圧ポンプから吐出された圧油が合流し、第1接続管路を介して各油圧シリンダのボトム側に供給される。そしてこのときの各油圧シリンダのロッド側からの戻り油は、その一部が、第1接続管路のうち各油圧シリンダのロッド側に接続されるものから複数の流量制御切換弁を介してタンク管路に導かれ、戻り油の残りは、ロッド側に接続される第1接続管路、第3接続管路から分岐するように接続された第2管路、及び第3接続管路を介し、かつその流量を、第2管路に設けられた第2流量制御手段で調整されてタンク管路に導かれる。
一方、次に、例えば油圧シリンダの縮み動作時を考えると、少なくとも1つの油圧ポンプから吐出された圧油が、複数の流量制御切換弁を介し、第1接続管路のうち各油圧シリンダのロッド側に接続されるものに供給される。このとき同時に、少なくとも1つの他の油圧ポンプから吐出された圧油も、吐出管路、第2接続管路、及び第2接続管路から分岐するように接続された第1管路を介し、かつその流量を、第1管路に設けられた第1流量制御手段で調整されて、流量制御切換弁を介すことなく、そのロッド側に接続される第1接続管路に供給される。そしてこのときの各油圧シリンダのボトム側からの戻り油は、各油圧シリンダのロッド側に接続される第1接続管路から複数の流量制御切換弁へと導かれるものと、第2管路から第3接続管路へと導かれるものとに分岐され、タンク管路に導かれる。
ここで、例えば単純に、少なくとも1つの油圧ポンプ、複数の流量制御切換弁、複数の第1接続管路を加え、この加えた第1接続管路の下流側をもともとある第1接続管路に接続して、超大流量の超大型機における上記のような各油圧シリンダの伸び動作・縮み動作に対応させる場合、フロント装置の作業機本体側から各油圧シリンダボトム側・ロッド側までの高圧ラインの管路の数は、フロント装置のうちブームシリンダより手前では、ブームシリンダのボトム側・ロッド側への第1接続管路4本、アームシリンダのボトム側・ロッド側への第1接続管路4本、バケットシリンダのボトム側・ロッド側への第1接続管路4本の合計12本であり、フロント装置のうちブームシリンダを超えてアームシリンダより手前では、アームシリンダのボトム側・ロッド側への第1接続管路4本、バケットシリンダのボトム側・ロッド側への第1接続管路4本の合計8本であり、フロント装置のうちアームシリンダを超えてバケットシリンダより手前では、バケットシリンダのボトム側・ロッド側への第1接続管路4本となる。
これに対し、本発明の上記構成においては、各第1管路及び各第2管路が第2及び第3接続管路から分岐して接続される分岐接続位置を対応する油圧シリンダ近傍に配置することとすれば、高圧ラインの数は、フロント装置のうちブームシリンダ近傍より手前では、ブームシリンダボトム側・ロッド側への第1接続管路2本、アームシリンダボトム側・ロッド側への第1接続管路2本、バケットシリンダボトム側・ロッド側への第1接続管路2本、及び第2接続管路1本の合計7本であり、フロント装置のうちブームシリンダ近傍を超えてアームシリンダ近傍より手前では、アームシリンダボトム側・ロッド側への第1接続管路2本、バケットシリンダボトム側・ロッド側への第1接続管路2本、及び第2接続管路1本の合計5本であり、アームシリンダ近傍を超えてバケットシリンダより手前では、バケットシリンダボトム側・ロッド側への第1接続管路2本と第2接続管路1本の合計3本であり、各油圧シリンダボトム側・ロッド側の両方を含めて高圧ライン管路数を減少させることができる。よって、高圧ライン全体の圧力損失をさらに低減することができる。このようにして全体の圧力損失を低減できる結果、各種複合操作を高効率かつ高速で行うことが可能となる。
また上記目的を達成するために、本発明によれば、作業機本体、及びこの作業機本体に上下方向に回動可能に連結された複数のフロント部材から構成されるフロント装置を備えた油圧式作業機械に設けられ、少なくとも1つの油圧ポンプと、前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧シリンダと、前記作業機本体に設けられ、前記油圧ポンプから吐出された圧油を前記複数の油圧シリンダにそれぞれ導き対応する油圧シリンダの駆動を制御する複数の流量制御切換弁と、前記油圧ポンプとは別に前記作業機本体に設けられた少なくとも1つの他の油圧ポンプと、前記作業機本体に設けられた油圧タンクと、前記作業機本体に設けられ、前記他の油圧ポンプから吐出された圧油が導かれる吐出管路及び圧油を前記油圧タンクへと導くタンク管路と、前記フロント装置に設けられ、前記流量制御切換弁と対応する油圧シリンダのボトム側及びロッド側のうちいずれか一方とをそれぞれ接続する複数の第1接続管路と、前記フロント装置に設けられ、一方側が前記吐出管路に接続された第2接続管路と、前記フロント装置に設けられ前記第2接続管路の他方側から分岐するようにそれぞれ接続されるとともに、該第2接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち少なくとも前記油圧シリンダのボトム側に接続されるものにそれぞれ接続された複数の第1管路と、これら複数の第1管路にそれぞれ設けられ、前記他の油圧ポンプから前記油圧シリンダへ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記油圧シリンダから前記他の油圧ポンプへ向かう圧油の流れを遮断する複数の第1流量制御手段と、前記フロント装置に設けられ、一方側が前記タンク管路に接続された第3接続管路と、前記フロント装置に設けられ前記第3接続管路の他方側から分岐するようにそれぞれ接続されるとともに、該第3接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち少なくとも前記油圧シリンダのボトム側に接続されるものにそれぞれ接続された複数の第2管路と、これら複数の第2管路にそれぞれ設けられ、前記油圧シリンダから前記第3接続管路へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記第3接続管路から前記油圧シリンダへ向かう圧油の流れを遮断する複数の第2流量制御手段と、前記作業機本体において前記吐出管路から分岐した管路に設けられ、前記他の油圧ポンプから吐出された圧油のうち所望の量を前記第1管路に供給し、残りを前記油圧タンクに戻す第3流量制御手段と、前記複数の流量制御切換弁のストローク量をそれぞれ制御する複数の操作手段と、各流量制御切換弁と対応する前記第1流量制御手段及び前記第2流量制御手段の駆動を関連づけて制御する制御手段とを有する。
本発明によれば、フロント装置の大部分での供給側・戻り側管路数が、従来構造を応用した場合よりも減少する。よって、その分全体のホース数を減らしホース延長を短くすることができる。したがって、全体の圧力損失を低減することができるので、エネルギー損失を低減しまた油圧シリンダの作動速度を増加し作業効率を向上することができる。このようにして全体の圧力損失を低減できる結果、各種複合操作を高効率かつ高速で行うことが可能となる。
以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。この実施形態は、本発明を例えば70tクラスの超大型油圧ショベルに適用した場合の実施形態である。
まず、本実施形態による油圧駆動装置の構成を表す油圧回路を、その制御装置と共に図1に示す。
すなわち、図1に示す油圧駆動装置は、原動機4aによって駆動される第1油圧ポンプ1a及び第2油圧ポンプ1bと、原動機4bによって駆動される第3油圧ポンプ3a及び第4油圧ポンプ3bと、第1及び第2油圧ポンプ1a,1bからの吐出油により駆動されるブーム用の油圧シリンダ5a,5b及びアーム用の油圧シリンダ6と、第1油圧ポンプ1aからの吐出油により駆動されるバケット用の油圧シリンダ7と、第2油圧ポンプ1bからの吐出油により駆動される旋回用の油圧モータ8とを備えている。
第1油圧ポンプ1aは、第1ブーム用コントロールバルブ10c、第1アーム用コントロールバルブ10b、及び第1バケット用コントロールバルブ10aを介してそれぞれブーム用油圧シリンダ5a,5b、アーム用油圧シリンダ6、及びバケット用油圧シリンダ7に接続され、第2油圧ポンプ1bは、第2ブーム用コントロールバルブ10d、第2アーム用コントロールバルブ10e、及び旋回用コントロールバルブ10fを介してそれぞれブーム用油圧シリンダ5a,5b、アーム用油圧シリンダ6、及び旋回用油圧モータ8に接続されている。なおこれらコントロールバルブ10a〜10fは、コントロールバルブグループ10を構成している。
ブーム用油圧シリンダ5a,5bのボトム側と、第1及び第2ブーム用コントロールバルブ10c,10dとは第1接続管路としての主管路105で接続されており、ブーム用油圧シリンダ5a,5bのロッド側と、第1及び第2ブーム用コントロールバルブ10c,10dとは第1接続管路としての主管路115で接続されている。また、アーム用油圧シリンダ6のボトム側と、第1及び第2アーム用コントロールバルブ10b,10eとは第1接続管路としての主管路116で接続されており、アーム用油圧シリンダ6のロッド側と、第1及び第2アーム用コントロールバルブ10b,10eとは第1接続管路としての主管路106で接続されている。さらに、バケット用油圧シリンダ7のボトム側とバケット用コントロールバルブ10aとは第1接続管路としての主管路107で接続されており、バケット用油圧シリンダ7のロッド側と、第1バケット用コントロールバルブ10aとは第1接続管路としての主管路117で接続されている。また、旋回用油圧モータ8と旋回用コントロールバルブ10fとは第1接続管路としての主管路108,118で接続されている。
一方、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bは、これら油圧ポンプ3a,3bから吐出された圧油が導かれる吐出管路102と、フロント装置14に設けられ一方側(図示左側)がこの吐出管路102に接続された第2接続管路としての供給管路100と、フロント装置14に設けられ供給管路100の他方側から分岐するようにそれぞれ接続される第1管路としての分岐管路150A,B,C,D,E,Fを介し、それぞれ主管路105,115,116,106,107,117に接続されている。これら分岐管路150A〜Fのうち分岐管路150A,C,Eには、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bから油圧シリンダ5a,5b,6,7のボトム側へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともにその逆の流れを遮断する第1流量制御手段、例えば圧力補償機能つき電磁比例弁からなる流量制御弁15,17,19がそれぞれ設けられており、分岐管路150B,D,Fには、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bから油圧シリンダ5a,5b,6,7のロッド側へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともにその逆の流れを遮断する第1流量制御手段、例えば圧力補償機能つき電磁比例弁からなる流量制御弁65,67,69がそれぞれ設けられている。
なおこのとき、各分岐管路150A〜Fの供給管路100からの分岐位置は対応する油圧シリンダ近傍に配置されている(後述する図2も参照)。すなわち、供給管路100のブームシリンダ5a,5b近傍位置からブームシリンダ5a,5bへの分岐管路150A,Bが分岐し、さらに先へ進んで供給管路100のアームシリンダ6近傍位置からアームシリンダ6への分岐管路150C,Dが分岐し、さらに先へ進んで供給管路100のバケットシリンダ7近傍位置からバケットシリンダ7への分岐管路150E,Fが分岐する。
また、油圧タンク2は、戻り油を油圧タンク2へと導くタンク管路103、フロント装置14に設けられ一方側(図示左側)がこのタンク管路103に接続された低圧の第3接続管路としての排出管路101と、フロント装置14に設けられ排出管路101の他方側から分岐するようにそれぞれ接続される第2管路としての分岐管路151A,B,C,D,E,Fを介し、それぞれ主管路105,115,116,106,107,117に接続されている。これら分岐管路151A〜Fのうち分岐管路151A,C,Eには、油圧シリンダ5a,5b,6,7のボトム側から油圧タンク2へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともにその逆の流れを遮断する3つの第2流量制御手段、例えば電磁比例弁からなる流量制御弁16,18,20が設けられており、分岐管路151B,D,Fには、油圧シリンダ5a,5b,6,7のロッド側から油圧タンク2へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともにその逆の流れを遮断する3つの第2流量制御手段、例えば電磁比例弁からなる流量制御弁66,68,70が設けられている。
なおこのとき、各分岐管路151A〜Fの排出管路101からの分岐位置は対応する油圧シリンダ近傍に配置されている(後述する図2も参照)。すなわち、バケットシリンダ7からの分岐管路151E,Fは排出管路101のバケットシリンダ7近傍位置で合流し、さらに車体13側に戻ってアームシリンダ6からの分岐管路151C,Dは排出管路101のアームシリンダ6近傍位置で合流し、さらに戻ってブームシリンダ5a,5bからの分岐管路151A,Bは排出管路101のブームシリンダ5a,5b近傍位置で合流する。
なお、以上の流量制御弁15〜20及び65〜70は、比較的近接配置される流量制御弁15,16、流量制御弁17,18、流量制御弁19,20、流量制御弁65,66、流量制御弁67,68、流量制御弁69,70がそれぞれ、流量制御弁装置51,61,71,(後述する図2参照)及び52,62,72を構成している。
さらに、吐出管路102には管路104が分岐し、この管路104には、第3及び第4油圧ポンプ3a,bから吐出された圧油のうち所望の量を供給管路100に供給し、残りを油圧タンク2に戻す、第3流量制御手段、例えば圧力補償機能を備えた電磁比例弁からなるバイパス弁21が設けられている。なお、吐出管路102とタンク管路103との間には、高圧ラインである供給管路100の最高圧力を規定するリリーフバルブ22が設けられている。
なお、第1〜第4油圧ポンプ1a,1b,3a,3b、コントロールバルブグループ10、吐出管路102、タンク管路103、管路104、及びバイパス弁21、リリーフ弁22等は、図1に示すように車体13に設けられており、油圧シリンダ5a,5b,6,7、供給管路100、排出管路101、分岐管路150A〜F及び151A〜F等は図1に示すようにフロント装置14に設けられている。また、上記構成のうち、第3及び第4ポンプ3a,3bは、第1及び第2油圧ポンプ1a,1bとは別に車体13に設けられた他の油圧ポンプを構成する。
なお、上記図1に示される構成において、低圧ラインに関しては、2本のホース(又は鋼管)とせずに大径の1本のホース(又は鋼管)とすることもできる。
以上のような油圧駆動装置の駆動対象である油圧ショベルの全体構造を表す側面図を図2に示す。この図2において、油圧ショベルは、作業機本体である車体13及びこの車体13に上下方向に回動可能に連結された複数のフロント部材、すなわちブーム75、アーム76、バケット77から構成されるフロント装置14を備えている。そして上述したブーム用油圧シリンダ5、アーム用油圧シリンダ6及びバケット用油圧シリンダ7は、これらブーム75、アーム76及びバケット77に図示するように装架されており、それぞれ伸長動作により、ブーム上げ、アームクラウド、及びバケットクラウドを行うようになっている。また、図1で示した旋回用油圧モータ8は、旋回台78の内部に装架され、旋回台78の旋回を行う。また図1では図示していないが、第1及び第2油圧ポンプ1a,1bには、油圧ショベルの走行装置79を駆動する走行用油圧モータがそれぞれコントロールバルブを介して接続されている。
なお、主管路105,115,106,116,107,117、供給管路100、排出管路101、及び流量制御弁装置51,61,71,52,62,72は、それぞれフロント装置14に併設されている(但し主管路105及び流量制御弁装置51,52,62,72は煩雑防止のために図示せず)。
図1に戻り、上記油圧駆動装置の制御装置としては、演算器131が設けられている。この演算器131は、操作レバー32,33から出力された操作信号を入力し、コントロールバルブ10a〜f、流量制御弁15〜20,65〜70、及びバイパス弁21に指令信号を出力する。操作レバー32,33は、それぞれ直交する2方向に動かされるようになっており、例えば操作レバー32の各方向の操作により旋回用の操作信号とアーム用の操作信号が出力され、操作レバー33の各方向の操作によりブーム用の操作信号及びバケット用の操作信号が出力されるようになっている。
この演算器131の詳細機能を表す機能ブロック図を図3に示す。
この図に示すように、演算器131は、操作レバー32,33からの操作信号を入力し、それを切換・選択して出力するマルチプレクサ34と、マルチプレクサ34を通して出力された操作信号をデジタル信号に変換するA/D変換器35と、これら信号等を一時的に記憶するRAM36と、後述する処理手順を実行するための制御プログラムを格納しているROM37と、操作信号をROM37に格納されている制御プログラムに従って処理する中央演算処理装置すなわちCPU38と、コントロールバルブ10a〜f、流量制御弁15〜20,65〜70、及びバイパス弁21にCPU38からの出力を増幅して出力する出力ポート39とからなっている。
ROM37には、操作レバー32,33の操作信号に応じてコントロールバルブ10a〜10fを制御する一般的な制御プログラムのほか、本発明に従って後述する図4及び図5に示すような、流量制御弁15〜20,65〜70及びバイパス弁21を制御する制御プログラムが格納されている。
次に、このように構成された油圧駆動装置の動作を図4及び図5に示すフローチャートを参照して説明する。
図2に示すような油圧ショベルにおいては、フロント装置14を構成するブーム75、アーム76及びバケット77は、それぞれの油圧シリンダ5〜7の伸長動作に対応するブーム上げ、アームクラウド、及びバケットクラウドの各動作が、一般的に要求流量が大きくまた負荷も大きくなる方向の動作である。このようなことから、演算器131においては、操作レバー32,33から出力されるフロント装置14用の操作信号については、ブーム上げの操作信号、アームクラウドの操作信号、バケットクラウドの操作信号とその他の操作信号、即ちフロント用油圧シリンダ5〜7の伸長動作を指示する操作信号とその他の操作信号とに分けて処理される。
即ち、まず、操作レバー32,33が操作されると、その操作信号がブーム上げの操作信号(操作信号(1)と略記する)、アームクラウドの操作信号(以下操作操作(2)と略記する)、バケットクラウドの操作信号(以下操作信号(3)と略記する)の各操作信号の1つであるかどうか、またはブーム下げの操作信号(操作信号(4)と略記する)、アームダンプの操作信号(以下操作操作(5)と略記する)、バケットダンプの操作信号(以下操作信号(6)と略記する)の各操作信号の1つであるかどうかが判断される(ステップS1)。
操作信号が上記操作信号(1)(2)(3)(4)(5)(6)の1つである場合には、それが操作信号(1)(2)(3)(4)(5)(6)のいずれであるかによって異なった処理が行われる。
即ち、操作信号(1)のときは、バイパス弁21は閉じられ、流量制御弁15,66は開けられ、他の流量制御弁16〜20,65,67〜70は閉じられる(ステップS2)。これにより、ブーム用油圧シリンダ5a,5bのボトム側には、第1及び第2油圧ポンプ1a,1bからの吐出油に加えて、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bからの吐出油が合流して供給されるとともに、ブーム用油圧シリンダ5a,bのロッド側からの戻り油が、主管路115及びコントロールバルブ10c,dを介して油圧タンク2に排出されるのに加え、分岐管路151B及び排出管路101を介しても油圧タンク2に排出される。これによって、油圧シリンダ5a,5bの伸長動作の増速または高負荷運転が可能となる。
また、操作信号(2)または(3)のときは、同様に、バイパス弁21は閉じられ、流量制御弁17,68または19,70が開けられ、他の流量制御弁が閉じられる(ステップS3,S4)。これにより、やはりアーム用油圧シリンダ6またはバケット用油圧シリンダ7のボトム側に第3及び第4油圧ポンプ3a,3bからの吐出油が合流して供給されるとともに、アーム用油圧シリンダ6又はバケット用油圧シリンダ7のロッド側からの戻り油が、主管路106又は117及びコントロールバルブ10b,10e又は10aを介して油圧タンク2に排出されるのに加え、分岐管路151D又は151Fと排出管路101とを介しても油圧タンク2に排出される。これによって、油圧シリンダ6又は7の伸長動作の増速または高負荷運転が可能となる。
さらに、操作信号(4)のときは、バイパス弁21は閉じられ、対応する流量制御弁16,65は開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS5)。これにより、ブーム用油圧シリンダ5a,5bのロッド側には、第1及び第2油圧ポンプ1a,1bからの吐出油に加えて、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bからの吐出油が合流して供給されるとともに、ブーム用油圧シリンダ5a,5bのボトム側からの戻り油が、コントロールバルブ10c,10dを介して油圧タンク2に排出されるのに加え、排出管路101及びタンク管路103を介しても油圧タンク2に排出される。これによって、油圧シリンダ5a,5bの縮み動作の増速が可能となる。
さらに、操作信号(5)または(6)のときは、同様に、バイパス弁21は閉じられ、流量制御弁18,67または20,69は開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS6 ,S7)。これにより、やはりアーム用油圧シリンダ6またはバケット用油圧シリンダ7のロッド側に第3及び第4油圧ポンプ3a,3bからの吐出油が合流して供給されるとともに、アーム用油圧シリンダ6またはバケット用油圧シリンダ7のボトム側からの戻り油が、コントロールバルブ10b,10eまたは10aを介して油圧タンク2に排出されるのに加え、排出管路101及びタンク管路103を介しても油圧タンク2に排出される。これによって、油圧シリンダ6又は7の縮み動作の増速が可能となる。
次に、操作信号が上記操作信号(1)(2)(3)(4)(5)(6)のうち2つ以上である場合には、それら操作信号が2つであるかどうかが判断され(ステップS8)、2つである場合は、それらが操作信号(1)(2)(3)(4)(5)(6)のいずれの組み合わせであるかによって異なった処理が行われる。
すなわち、操作信号(1)(2)のときは、まずそれぞれの操作信号(1)(2)が示す操作量の差が一定値以上であるかどうかが判断され(ステップS9)、一定値未満の場合には、バイパス弁21を閉じるとともに、流量制御弁15,66及び17,68を、それらの開度がそれぞれ操作信号(1)(2)の操作量に比例した開度となるよう比例制御し、他の流量制御弁は閉じる(ステップS10)。これにより、ブーム用油圧シリンダ5a,5b及びアーム用油圧シリンダ6のボトム側には第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油が操作信号(1)(2)の操作量の比に応じて配分された流量で合流して供給されるとともに、ブーム用油圧シリンダ5a,5b及びアーム用油圧シリンダ6のロッド側からの戻り油も操作信号(1)(2)の操作量の比に応じて配分された流量で分岐して排出される。よって、操作信号(1)(2)が示す操作量の比に適合したブーム上げとアームクラウドの複合操作を、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油をも利用して行なうことができる。
操作信号(1)(2)の操作量の差が一定値以上で操作信号(1)が(2)より大きい場合は、バイパス弁21を閉じるとともに流量制御弁15,66が開かれ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS11)。これにより第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油がブーム用油圧シリンダ5a,5bのみのボトム側に合流して供給されるとともに、ブーム用油圧シリンダ5a,5bのみのロッド側からの戻り油が分岐して油圧タンク2に排出される。このようにする理由は次のようである。
一般に、油圧ショベルには、土砂掘削後、バケット77を本体側に引き寄せて山積みする山積み作業がある。このとき、バケット77を本体側に引き寄せるには、ブーム75を上げながらアーム76をクラウドするが、このときのブーム上げの負荷圧力は極めて大きく、一方アームクラウドの負荷圧力はそれに比べて小さい。従って、油圧ポンプの吐出油が負荷の軽いアーム用油圧シリンダのみに供給され、ブーム上げが行えなくなるのを避けるために、ブーム用操作レバーの操作量を最大とし、アーム用操作レバーの操作量を微少量とする。そしてこのような複合操作においては、ブーム用油圧シリンダ5a,5bにできるだけ多くの圧油を供給し、迅速にバケット77の引き寄せを行うことが望まれる。従って、操作信号(1)(2)の操作量の差が一定値以上で操作信号(1)が(2)より大きい場合には、この複合操作が行われるものと判断し、上述のように第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油をブーム用油圧シリンダ5a,5bのみのボトム側に供給する。これにより迅速なブーム上げが行われ、山積み作業においてバケットを短時間で本体側に引き寄せ、作業の合理化が図られる。
また、操作信号(1)(3)または(2)(3)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁15,19,66,70または17,19,68,70が、それらの開度がそれぞれ操作信号(1)(3)または(2)(3)の操作量に比例した開度となるよう比例制御され、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS12またはS13)。これにより、ブーム用油圧シリンダ5及びバケット用油圧シリンダ7またはアーム用油圧シリンダ6及びバケット用油圧シリンダ7のボトム側には、第3及び第4の油圧ポンプ3の吐出油が操作信号(1)(3)または(2)(3)の操作量の比に応じて配分された流量で合流して供給されるとともに、ブーム用油圧シリンダ5及びバケット用油圧シリンダ7又はアーム用油圧シリンダ6及びバケット用油圧シリンダ7のロッド側からの戻り油も操作信号(1)(3)又は(2)(3)の操作量の比に応じて配分された流量で分岐して排出される。したがって、操作信号(1)(3)または(2)(3)が示す操作量の比に適合したブーム上げとバケットクラウドまたはアームクラウドとバケットクラウドの複合操作を、第3及び第4の油圧ポンプ3a,3bの吐出油をも利用して行うことができる。
ここで、特に操作信号(2)(3)の複合操作は、アームクラウドとバケットクラウドによる軽掘削を行うときであり、この作業においては負荷の変動にかかわらずバケットクラウドを確実に行うことが望まれる。本実施形態によれば、バケット用油圧シリンダ7の負荷圧力がアーム用油圧シリンダ6の負荷圧力よりも小さなときは、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油が比例配分されてバケット用油圧シリンダ7にも供給されることにより、軽掘削作業の高速化が可能となり、バケット用油圧シリンダ7の負荷圧力の方が大きいときでも、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの圧油が確実にこの油圧シリンダ7に供給されるので、油圧シリンダ7が動かなくなるという事態を避けることができる。
次に、操作信号(1)(5)または(1)(6)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁15,18,66,67または15,20,66,69が開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS14 ,S15)。これにより、ブーム用油圧シリンダ5a,5bのボトム側には第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油が合流して供給されるとともにブーム用油圧シリンダ5a,5bのロッド側からの戻り油は分岐して油圧タンク2に排出される。そして、アーム用油圧シリンダ6又はバケット用油圧シリンダ7のロッド側には第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油が合流して供給されるとともにアーム用油圧シリンダ6又はバケット用油圧シリンダ7のボトム側からの戻り油がコントロールバルブ10b,10e又は10aのみならず排出管路101及びタンク管路103を介しても油圧タンク2に排出される。よって、ブーム上げとアームダンプ又はバケットダンプの複合動作を圧力損失の少ない高効率かつ高速で行うことができる。
以下同様に、操作信号(2)(4)または(2)(6)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁16,17,65,68または17,20,68,69が開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS16 ,S17)。操作信号(3)(4)または(3)(5)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁16,19,65,70または18,19,67、70が開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS18 ,S19)。これにより、対応する油圧シリンダのボトム側又はロッド側には第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油が合流して供給され、ロッド側又はボトム側からの戻り油が対応するコントロールバルブ10のみならず排出管路101及びタンク管路103を介しても油圧タンク2に排出されるので、意図する複合動作を圧力損失を少なく高効率かつ高速で行うことができる。
また、操作信号(4)(5)または(4)(6)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁16,18,65,67または16,20,65,69が、それらの開度がそれぞれ操作信号(4)(5)または(4)(6)の操作量に比例した開度となるよう比例制御され、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS20 ,S21)。これにより、ブーム用油圧シリンダ5a,5b、及びアーム用油圧シリンダ6又はバケット用油圧シリンダ7のロッド側には、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油が操作信号(4)(5)または(4)(6)の操作量の比に応じて配分された流量で合流して供給される。そしてまた、ブーム用油圧シリンダ5a,5b、及びアーム用油圧シリンダ6又はバケット用油圧シリンダ7のボトム側からの戻り油はコントロールバルブ10c,10d、及び10b,10e又は10aを介し油圧タンク2に排出されるとともに、(4)(5)又は(4)(6)の操作量の比に応じて配分された流量で排出管路101及びタンク管路103を介し油圧タンク2に排出される。よって、ブーム下げとアームダンプ又はバケットダンプの複合動作を圧力損失の少ない高効率かつ高速で行うことができる。
同様に、操作信号(5)(6)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁18,20,67,69がそれらの開度がそれぞれ操作信号(5)(6)の操作量に比例した開度となるよう比例制御され、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS22)。これにより、アーム用油圧シリンダ6及びバケット用油圧シリンダ7のロッド側には、第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油が操作信号(5)(6)の操作量の比に応じて配分された流量で合流して供給される。そしてまた、アーム用油圧シリンダ6及びバケット用油圧シリンダ7のボトム側からの戻り油はコントロールバルブ10b,10e及び10aを介し油圧タンク2に排出されるとともに、(5)(6)の操作量の比に応じて配分された流量で排出管路101及びタンク管路103を介しても油圧タンク2に排出され、アームダンプとバケットダンプとの複合動作を圧力損失の少ない高効率かつ高速で行うことができる。
操作信号が上記操作信号(1)(2)(3)(4)(5)(6)のうち3つである場合には、それらが操作信号(1)(2)(3)(4)(5)(6)のいずれの組み合わせであるかによって異なった処理が行われる。
即ち、操作信号(1)(2)(3)のときは、バイパス弁21は閉じられ、流量制御弁15,66は開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS23)。
この操作信号(1)(2)(3)の複合操作には、掘削表面を水平にならすために、ブーム75を上げながら、アーム76をクラウドし、バケット77をクラウドして行う水平引き作業がある。この作業においては、ブーム用油圧シリンダ5a,5bの負荷圧力はアーム用及びバケット用油圧シリンダ6,7の負荷圧力に比べて極端に大きくなる。従って、上述のように第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油をブーム用油圧シリンダ5a,5bのボトム側専用に供給することにより、負荷の大きなブーム用油圧シリンダ5a,5bに確実に圧油を供給し、水平引き作業を円滑に行うことを可能とする。
また操作信号(1)(2)(6)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁15,17,20,66,68,69が開かれ、他の流量制御弁が閉じられる(ステップS24)。これにより、ブーム用油圧シリンダ5a,5b及びアーム用油圧シリンダ6のボトム側には第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油が合流して供給されるとともに、ブーム用油圧シリンダ5a,5b及びアーム用油圧シリンダ6のロッド側からの戻り油は、主管路115,106と分岐管路151B,151D及び排出管路101に分岐して油圧タンクに排出される。そしてまた、バケット用油圧シリンダ7のロッド側には第3及び第4油圧ポンプ3a,3bの吐出油が合流して供給されるとともに、バケット用油圧シリンダ7のボトム側からの戻り油はコントロールバルブ10aのみならず排出管路101及びタンク管路103を介しても油圧タンク2に排出される。よって、ブーム上げ、アームクラウド、及びバケットダンプの複合動作を圧力損失の少ない高効率かつ高速で行うことができる。
上記と同様に、操作信号(1)(3)(5)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁15,18,19,66,67,70が開かれ、他の流量制御弁が閉じられる(ステップS25)。また操作信号(1)(5)(6)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁15,18,20,66,67,69が開かれ、他の流量制御弁が閉じられる(ステップS26)。また操作信号(2)(3)(4)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁16,17,19,65,68,70が開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS27)。また操作信号(2)(4)(6)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁16,17,20,65,68,69が開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS28)。また操作信号(3)(4)(5)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁16,18,19,65,67,70が開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS29)。また操作信号(4)(5)(6)のときは、バイパス弁21が閉じられるとともに、流量制御弁16,18,20,65,67,69が開けられ、他の流量制御弁は閉じられる(ステップS30)。
以上のようにして、対応する油圧シリンダのボトム側(又はロッド側)へ供給の圧油は、コントロールバルブ10のみならず供給管路100及び対応する分岐管路150A〜Eを介しても供給され、また対応する油圧シリンダのロッド側(又はボトム側)からの戻り油は、コントロールバルブ10のみならず排出管路101及びタンク管路103を介しても油圧タンク2に排出される。したがって、オペレータの意図する複合動作を圧力損失の少ない高効率かつ高速で行うことができる。
なお、上記のような種々の複合動作を行うことに関連し、演算器131は、コントロールバルブ10a〜f及び流量制御弁15,17,19,65,67,69の駆動を以下のように関連づけて制御する制御手段としての機能を果たす。すなわち、ROM37(図3参照)に格納された、操作レバー32,33の操作信号に応じコントロールバルブ10a〜10fを制御する一般的な制御プログラムに基づき、図6に操作レバー−流量特性の一例を示すように、まず、操作レバー32,33の操作量が相対的に小さい領域(第1操作量領域)において、操作量の増加量に対し相対的に小さい割合でコントロールバルブ10a〜fのみがストロークされ対応する主管路105〜107,115〜117に圧油を供給する。その後、操作レバー32,33の操作量が相対的に大きい領域(第2操作量領域)、すなわちコントロールバルブ10a〜fによる流量がレバー操作量の増大とともに急激に立ち上がる位置以降においては、コントロールバルブ10a〜fが操作量の増加量に対し相対的に大きい割合でストロークされ、対応する主管路105〜107,115〜117に圧油を供給する。と同時に、流量制御弁15,17,19,65,67,69が、操作量の増加量に対しコントロールバルブ10a〜fとほぼ同じ割合でストロークされ、操作レバー−流量特性曲線がコントロールバルブ10a〜fとクラッキングするように駆動される。これによって、対応する分岐管路150A〜Fを介して対応する主管路105〜107,115〜117に圧油を供給する。したがって、コントロールバルブ10a〜fを介した圧油が、十分に対応する主管路105,116,107又は115,106,117に供給されるようになった後に、対応する流量制御弁15,17,19又は65,57,69を介した圧油が分岐管路100A,C,F又は100B,D,Eから主管路105,116,107又は115,106,117に供給開始されることとなり、流量制御弁15,17,19又は65,57,69が切り替わった時のショック発生を防止することができる。
以上のように、本実施形態においては、流量制御弁15〜20,65〜70及びバイパス弁21の開閉制御により、各種複合動作を圧力損失の少ない高効率かつ高速で行うことができるが、本実施形態の最も大きな特徴は、超大型機におけるホース数や鋼管等で構成する油圧回路の総延長を減らし全体の圧力損失を低減することにある。この主たる作用効果を、以下詳細に説明する。
すなわち、本実施形態の油圧駆動装置においては、各油圧シリンダの伸び方向動作時には、油圧ポンプ1a,1bから吐出された圧油は、コントロールバルブグループ10を介して対応する主管路105,116,107に供給される。一方このとき、油圧ポンプ3a,3bから吐出された圧油も、吐出管路102、供給管路100、および分岐管路150A,C,Eを介し、かつその流量を、バイパス弁21及び分岐管路150A,C,Eの流量制御弁15,17,19で適宜調整されて、コントロールバルブグループ10を介すことなく、主管路105,116,107に供給される。そして、これら主管路105,116,107に供給された圧油は、対応する油圧シリンダ5a,5b,6,7のボトム側に導かれてそれらを駆動し、フロント部材75,76,77をそれぞれ動作させる。一方このとき、これら油圧シリンダ5a,5b,6,7のロッド側の戻り油が、主管路115,106,117からコントロールバルブグループ10を介して油圧タンク2に排出されるのに加え、分岐管路151B,D,F及び排出管路101を介し、かつその流量を、分岐管路151B,D,Fの流量制御弁66,68,70で適宜調整されて、コントロールバルブグループ10を介すことなく、油圧タンク2に排出される。
一方、次に、例えば油圧シリンダの縮み動作時には、油圧ポンプ1a,1bから吐出された圧油が、コントロールバルブグループ10を介し、対応する主管路115,106,117に供給される。このとき同時に、油圧ポンプ3a,3bから吐出された圧油も、吐出管路102、供給管路100、及び分岐管路150B,D,Fを介し、かつその流量を、バイパス弁21、及び分岐管路150B,D,Fの流量制御弁65,67,69で調整されて、コントロールバルブグループ10を介すことなく、主管路115,106,117に供給される。そして、これら主管路115,106,117に供給された圧油は、対応する油圧シリンダ5a,5b,6,7のロッド側に導かれてそれらを駆動し、フロント部材75,76,77をそれぞれ動作させる。一方このとき各油圧シリンダ5a,5b,6,7のボトム側からの戻り油の一部は、主管路105,116,107からコントロールバルブグループ10を介してタンク管路103に導かれる。同時に、戻り油の残りは、主管路105,116,107、分岐管路151A,C,E、及び排出管路101を介し、かつその流量を、分岐管路151A,C,Eに設けられた流量制御弁16,18,20で調整されて、タンク管路103に導かれる。これら2つの戻りルートを用いることで、油圧シリンダ5a,5b,6,7のボトム側から超大流量の圧油を排出して各油圧シリンダ5a,5b,6,7を縮み方向に駆動し、フロント部材75,76,77をそれぞれ動作させることができる。
ここで、本実施形態のような超大型機の超大流量に対応する方策として従来構成を応用し、単純に、2系統の油圧ポンプからの圧油を2つのコントロールバルブグループそれぞれを経た後、コントロールバルブ下流側からの油圧管路を各シリンダごとに合流させて最終的に各油圧シリンダへ接続する構成としても、超大流量化は可能である。しかしながらこの場合、フロント装置の車体側から各シリンダまでの高圧ラインの管路の数は、フロント装置のうちブームシリンダより手前の領域では、ブームシリンダのボトム側・ロッド側への油圧管路が2本ずつ合わせて4本、アームシリンダのボトム側・ロッド側への油圧管路が2本ずつ合わせて4本、バケットシリンダのボトム側・ロッド側への油圧管路が2本ずつ合わせて4本の合計12本がはい回されることとなり、またフロント装置のうちブームシリンダを超えてアームシリンダより手前の領域では、アームシリンダのボトム側・ロッド側への油圧管路が2本ずつ合わせて4本、バケットシリンダのボトム側・ロッド側への油圧管路が2本ずつ合わせて4本の合計8本がはい回されることとなり、フロント装置のうちアームシリンダを超えてバケットシリンダより手前の領域では、バケットシリンダのボトム側・ロッド側への油圧管路が2本ずつ合わせて4本がはい回されることとなる。
これに対して、本実施形態の油圧駆動装置によれば、油圧ポンプ1a,1b及び3a,3b、コントロールバルブ10a〜f、吐出管路102、タンク管路103、及びバイパス弁21は、油圧ショベルの車体13に設けられており、主管路105,115、116,106,107,117、供給管路100、排出管路101、分岐管路150A〜F及び151A〜F、流量制御弁15〜20及び65〜70、及び油圧シリンダ5a,5b,6,7はフロント装置14に設置され、しかもこのとき、各分岐管路150A〜F又は151A〜Fの供給管路100又は排出管路101からの分岐位置が対応する油圧シリンダ近傍に配置されているので、圧力損失を考える上でとくに問題となる各油圧シリンダボトム側・ロッド側までの高圧ラインの管路数が、フロント装置14の大部分において従来構造を応用した場合よりも減少する。
具体的には、排出管路101は低圧管路となることから、フロント装置14のうちブームシリンダ5a,5b近傍より手前の領域(図1中において概念的にAで示す)での高圧ラインとなる管路数は、ブームシリンダ5a,5bのボトム側・ロッド側への主管路105,115が2本、アームシリンダ6のボトム側・ロッド側への主管路116,106が2本、バケットシリンダ7のボトム側・ロッド側への主管路107,117が2本、及び供給管路100が1本の合計7本をはい回すだけで足り、フロント装置14のうちブームシリンダ5a,5b近傍を超えてアームシリンダ6近傍より手前の領域(図1中において概念的にBで示す)では、アームシリンダ6のボトム側・ロッド側への主管路116,106が2本、バケットシリンダ7ボトム側・ロッド側への主管路107,117が2本、及び供給管路100が1本の合計5本をはい回すだけで足り、フロント装置14のうちアームシリンダ6近傍を超えてバケットシリンダ7近傍より手前の領域(図1中において概念的にCで示す)では、バケットシリンダ7ボトム側・ロッド側への主管路107,117が2本、及び供給管路100が1本の合計3本をはい回すだけで足りる。
したがって、本実施形態の油圧駆動装置は、従来構造を応用したものよりも、ボトム側・ロッド側高圧ラインの管路数を大部分の領域で減少させることができるので、高圧ライン全体の圧力損失を低減することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、従来構造を応用したものに比し、高圧ラインの管路数を減少することができるので、その分全体のホース数(鋼管数)を減らし、その延長を短くすることができる。したがって、全体の圧力損失を低減することができるので、エネルギー損失を低減しまた油圧シリンダの作動速度を増加し作業効率を向上することができ、特に複合動作を意図する場合に、その所望の複合動作を圧力損失を少なく高効率かつ高速で行うことができる。なおこのとき、低圧ラインである排出管路101のホースや鋼管を極力大口径化すれば、さらに一層圧力損失を減らすことができる。
さらに、単体の弁である流量制御弁15〜20,65〜70及びバイパス弁21は一般的に通常のコントロールバルブよりも大容量化が容易であるので、これによっても、圧力損失を大幅に減らすことが可能になる。
また、本実施形態によれば、操作レバー32,33が中立の時は流量制御弁15〜20,65〜70はすべて閉じられるので、バイパスバルブ21を、ポンプ3a,3bと油圧タンク2との間の最短距離の中に設置することができ、よって従来構造を応用した図9の構成に比し、操作レバー32,33の中立時における損失を最小限にすることができる効果もある。
なお、上記実施形態においては、一方側が各油圧シリンダ5a,5b,6,7のロッド側に接続される主管路115,106,117に接続される、分岐管路150B,D,F及び151B,D,Fを設け、さらにこれら分岐管路に、流量制御弁65,66,67,68,69,70を設けたが、これらは必ずしも設ける必要がない。すなわち、一般に油圧シリンダは、ボトム側とロッド側には2倍の容量差があることから、超大流量化が図られる超大型機にあっても、ロッド側についてはボトム側に比しそれほど大流量を必要としない場合が多い。このような場合には、ロッド側は従来通りコントロールバルブグループ10を介した圧油供給・排出としても足りる。また、所望の油圧シリンダのみのロッド側にのみ第3及び第4油圧ポンプの圧油を合流するようにしてもよい。さらに、各油圧シリンダのロッド側には分岐管路151B,151D,151Fと対応する流量制御弁66,68,70のみを設け、各油圧シリンダを伸長動作させたときにロッド側からの戻り油をコントロールバルブ10及び排出管路を介してタンクに戻すことによって戻り油の圧力損失を低減するようにしてもよい。その他種々の組み合わせが可能である。
また、上記実施形態においては、旋回用の油圧モータ8に関しては、従来通りのコントロールバルブ10fを介しての圧油供給・排出としたが、これに限られず、他の油圧シリンダ5a,5b,6,7と同様、供給ライン100から圧油を合流させて供給したり、排出ライン101に圧油を合流させて排出したりしてもよい。この場合も、同様の効果を得る。
また、上記実施形態においては、流量制御弁15〜20,65〜70及びバイパス弁21として指令信号に比例して弁開度が変化する電磁比例弁を用いたが、これは単なる電磁開閉弁であってもよく、この場合前述した実施形態における電磁弁の比例制御による動作(図4のS10,S12,S13,S20,S21,S22参照)が得られなくなるが、それ以外の動作は得ることができるので、この場合でも従来構造を応用した油圧駆動装置に比べて、ホース又は鋼管による圧力損失を低減する効果は得ることができる。また、電磁弁でなく油圧パイロット操作式の切換弁を用いても良い。この場合、コントロールバルブ10a〜fと切換弁15〜20,65〜70及びバイパスバルブ21の切り換えタイミングのズレが生じる場合が考えられるが、この場合、パイロット配管の大口径化やパイロット圧力の高圧化により、必要な応答性レベルを確保することができる。
また、上記実施形態においては、高圧管路について、それぞれ1本のホース又は鋼管等で構成するように記述したが、前述のように高圧ホースの制約を受けそれぞれを2本のホースや鋼管で構成する場合においても、本発明が成り立つことは明らかである。
また、上記した流量制御弁15〜20,65〜70は、流量制御切換弁10に対し比較的圧力損失の少ないシート弁で構成することもできる。この構成例を図7及び図8により説明する。図7は、上記のうち流量制御弁16を例にとって図1から抜き出して示した図であり、図8は図7の構成に対応するシート弁の構成を示した図である。
すなわち、図8において、ケーシング202に嵌装されたシート弁203は、主管路105に連通した入口管路221と逆止弁を介し分岐部101Aに接続された吐出管路231とを連通・遮断するシート部203Aと、吐出管路231の圧力を受ける端面203Cと、端面203Cの反対側に設けられケーシング202との間に形成される背圧室204の圧力を受ける端面203Bと、入口管路221と背圧室204とを連通する絞りスリット203Dとを備えている。また、ケーシング202には、背圧室204と吐出管路231とを連通するパイロット管路205が形成されており、このパイロット管路205上には、指令信号201によりパイロット管路205の流量を調整する比例電磁弁からなる可変絞り部206が設けられている。
この構成において、入口管路221内の圧力は、絞りスリット203Dを介して背圧室204内に導かれており、この圧力によりシート弁203は図中下方に押圧され、シート部203Aによって入口管路221と吐出管路231とが遮断されている。ここで所望の指令信号201を与え、可変絞り部206を開口すると、入口管路221内の流体は、絞りスリット203D、背圧室204、可変絞り部206、及びパイロット管路205を経て、吐出管路231に流出する。この流れにより、絞りスリット203D及び可変絞り部206の絞り効果で背圧室204内の圧力は低下するので、端面203Bに作用する力よりも端面203A及び端面203Eに作用する力の方が大きくなり、シート弁203は図中上方に移動し、入口管路221の流体は、吐出管路231に流出する。このとき、シート弁203が上昇過多となると、絞りスリット203Dの絞り開度が大きくなることにより、背圧室204の圧力は上昇しシート弁203を図中下方に移動させる。
このように、可変絞り部206の絞り開度に見合った絞りスリット203Dの絞り開度位置で、シート弁203は留まることになるので、指令信号201に基づき、所望する入口管路221から吐出管路231への流体流量が制御できることになる。
さらに、上記の実施形態は本発明を油圧ショベルに適用した実施形態であるが、これ以外の旋回台及びフロント装置を備えた建設機械に広く適用することができる。
本発明の一実施形態による油圧駆動装置の構成を表す油圧回路を、その制御装置と共に示した図である。 図1の油圧駆動装置の駆動対象である油圧ショベルの全体構造を表す側面図である。 図1に示した演算器の詳細機能を表す機能ブロック図である。 図1に示した演算器の制御機能を表すフローチャートである。 図1に示した演算器の制御機能を表すフローチャートである。 操作レバー−流量特性の一例を示す図である。 流量制御弁の構成を表す詳細図である。 図7の構成に対応するシート弁の構成を示した図である。
符号の説明
1a 第1ポンプ
1b 第2ポンプ
3a 第3ポンプ(他の油圧ポンプ)
3b 第4ポンプ(他の油圧ポンプ)
5a,b 油圧シリンダ
6,7 油圧シリンダ
10a〜f コントロールバルブ(流量制御切換弁)
13 車体(作業機本体)
14 フロント装置
15,17,19 流量制御弁(第1流量制御手段)
16,18,20 流量制御弁(第2流量制御手段)
21 バイパス弁
65,67,69 流量制御弁(第1流量制御手段)
66,68,70 流量制御弁(第2流量制御手段)
75 ブーム
76 アーム
77 バケット
100 供給管路(第2接続管路)
101 排出管路(第3接続管路)
103 タンク管路
105 主管路(第1接続管路)
106 主管路(第1接続管路)
107 主管路(第1接続管路)
115 主管路(第1接続管路)
116 主管路(第1接続管路)
117 主管路(第1接続管路)
131 演算器
150A〜F 分岐管路(第1管路)
151A〜F 分岐管路(第2管路)

Claims (6)

  1. 作業機本体、及びこの作業機本体に上下方向に回動可能に連結された複数のフロント部材から構成されるフロント装置を備えた油圧式作業機械に設けられ、
    少なくとも1つの油圧ポンプと、
    前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧シリンダと、
    前記作業機本体に設けられ、前記油圧ポンプから吐出された圧油を前記複数の油圧シリンダにそれぞれ導き対応する油圧シリンダの駆動を制御する複数の流量制御切換弁と、
    前記油圧ポンプとは別に前記作業機本体に設けられた少なくとも1つの他の油圧ポンプと、
    前記作業機本体に設けられた油圧タンクと、
    前記作業機本体に設けられ、前記他の油圧ポンプから吐出された圧油が導かれる吐出管路及び圧油を前記油圧タンクへと導くタンク管路と、
    前記フロント装置に設けられ、前記流量制御切換弁と対応する油圧シリンダのボトム側及びロッド側のうちいずれか一方とをそれぞれ接続する複数の第1接続管路と、
    前記フロント装置に設けられ、一方側が前記吐出管路に接続された第2接続管路と、
    前記フロント装置に設けられ前記第2接続管路の他方側から分岐するようにそれぞれ接続されるとともに、該第2接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち少なくとも前記油圧シリンダのボトム側に接続されるものにそれぞれ接続された複数の第1管路と、
    これら複数の第1管路にそれぞれ設けられ、前記他の油圧ポンプから前記油圧シリンダへ向かう圧油の流れを制御する複数の第1流量制御手段と、
    前記フロント装置に設けられ、一方側が前記タンク管路に接続された第3接続管路と、
    前記フロント装置に設けられ前記第3接続管路の他方側から分岐するようにそれぞれ接続されるとともに、該第3接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち少なくとも前記油圧シリンダのボトム側に接続されるものにそれぞれ接続された複数の第2管路と、
    これら複数の第2管路にそれぞれ設けられ、前記油圧シリンダから前記第3接続管路へ向かう圧油の流れを制御する複数の第2流量制御手段と、
    前記複数の流量制御切換弁のストローク量をそれぞれ制御する複数の操作手段と、
    各流量制御切換弁と対応する前記第1流量制御手段及び第2流量制御手段の駆動を関連づけて制御する制御手段とを有することを特徴とする油圧駆動装置。
  2. 請求項1記載の油圧駆動装置において、
    前記制御手段は、前記複数の流量制御切換弁のうち少なくとも1つを介した圧油が対応する第1接続管路に十分に供給されるようになった後に、対応する第1流量制御手段を介した圧油が該対応する第1接続管路に供給開始されるように、前記複数の流量制御切換弁及び前記第1流量制御手段の駆動を関連づけて制御することを特徴とする油圧駆動装置。
  3. 請求項1記載の油圧駆動装置において、
    前記制御手段は、前記操作手段の操作量が相対的に小さい第1操作量領域では、前記操作量の増加量に対し相対的に小さい割合で前記流量制御切換弁のみをストロークさせ、対応する第1接続管路に圧油を供給し、前記操作手段の操作量が相対的に大きい第2操作量領域では、前記操作量の増加量に対し相対的に大きい割合で前記流量制御切換弁をストロークさせ、前記対応する第1接続管路に圧油を供給するとともに、前記操作量の増加量に対し所定の割合で対応する第1流量制御手段をストロークさせ、対応する第1管路を介して前記対応する第1接続管路に圧油を供給することを特徴とする油圧駆動装置。
  4. 請求項1記載の油圧駆動装置において、
    前記複数の第1管路のうち少なくとも1つは、前記第2接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち前記油圧シリンダのロッド側に接続されるものに接続されており、
    この少なくとも1つの第1管路に設けられた前記第1流量制御手段は、前記他の油圧ポンプから前記油圧シリンダのロッド側へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記油圧シリンダのロッド側から前記他の油圧ポンプへ向かう圧油の流れを遮断し、
    前記制御手段は、前記複数の第1管路のうち前記油圧シリンダのロッド側に接続された少なくとも1つの前記第1流量制御手段を駆動して該油圧シリンダのロッド側に前記他の油圧ポンプからの圧油を供給したとき、該油圧シリンダのボトム側に接続された前記第2管路に設けられた前記第2流量制御手段を駆動して、該油圧シリンダのボトム側からの戻り油を前記油圧タンクへ流すことを特徴とする油圧駆動装置。
  5. 請求項1記載の油圧駆動装置において、
    前記複数の第1管路のうち少なくとも1つは、前記第2接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち前記油圧シリンダのロッド側に接続されるものに接続されており、
    この少なくとも1つの第1管路に設けられた前記第1流量制御手段は、前記他の油圧ポンプから前記油圧シリンダのロッド側へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記油圧シリンダのロッド側から前記他の油圧ポンプへ向かう圧油の流れを遮断し、
    前記複数の第2管路のうち少なくとも1つは、前記第3接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち前記少なくとも1つの第1管路が接続されている前記油圧シリンダのロッド側に接続されるものに接続されており、
    この少なくとも1つの第2管路に設けられた前記第2流量制御手段は、前記油圧シリンダのロッド側から前記油圧タンクへ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記油圧タンクから前記油圧シリンダのロッド側へ向かう圧油の流れを遮断し、
    前記制御手段は、前記複数の第1管路のうち前記油圧シリンダのロッド側に接続された少なくとも1つの前記第1流量制御手段を駆動して該油圧シリンダのロッド側に前記他の油圧ポンプからの圧油を供給したとき、該油圧シリンダのボトム側に接続された前記第2管路に設けられた前記第2流量制御手段を駆動して、該油圧シリンダのボトム側からの戻り油を前記油圧タンクへ流すことを特徴とする油圧駆動装置。
  6. 作業機本体、及びこの作業機本体に上下方向に回動可能に連結された複数のフロント部材から構成されるフロント装置を備えた油圧式作業機械に設けられ、
    少なくとも1つの油圧ポンプと、
    前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧シリンダと、
    前記作業機本体に設けられ、前記油圧ポンプから吐出された圧油を前記複数の油圧シリンダにそれぞれ導き対応する油圧シリンダの駆動を制御する複数の流量制御切換弁と、
    前記油圧ポンプとは別に前記作業機本体に設けられた少なくとも1つの他の油圧ポンプと、
    前記作業機本体に設けられた油圧タンクと、
    前記作業機本体に設けられ、前記他の油圧ポンプから吐出された圧油が導かれる吐出管路及び圧油を前記油圧タンクへと導くタンク管路と、
    前記フロント装置に設けられ、前記流量制御切換弁と対応する油圧シリンダのボトム側及びロッド側のうちいずれか一方とをそれぞれ接続する複数の第1接続管路と、
    前記フロント装置に設けられ、一方側が前記吐出管路に接続された第2接続管路と、
    前記フロント装置に設けられ前記第2接続管路の他方側から分岐するようにそれぞれ接続されるとともに、該第2接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち少なくとも前記油圧シリンダのボトム側に接続されるものにそれぞれ接続された複数の第1管路と、
    これら複数の第1管路にそれぞれ設けられ、前記他の油圧ポンプから前記油圧シリンダへ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記油圧シリンダから前記他の油圧ポンプへ向かう圧油の流れを遮断する複数の第1流量制御手段と、
    前記フロント装置に設けられ、一方側が前記タンク管路に接続された第3接続管路と、
    前記フロント装置に設けられ前記第3接続管路の他方側から分岐するようにそれぞれ接続されるとともに、該第3接続管路に接続する側と反対側が、前記複数の第1接続管路のうち少なくとも前記油圧シリンダのボトム側に接続されるものにそれぞれ接続された複数の第2管路と、
    これら複数の第2管路にそれぞれ設けられ、前記油圧シリンダから前記第3接続管路へ向かう圧油の流れを所望の絞り量に制御する可変絞りを介し許容するとともに、前記第3接続管路から前記油圧シリンダへ向かう圧油の流れを遮断する複数の第2流量制御手段と、
    前記作業機本体において前記吐出管路から分岐した管路に設けられ、前記他の油圧ポンプから吐出された圧油のうち所望の量を前記第1管路に供給し、残りを前記油圧タンクに戻す第3流量制御手段と、
    前記複数の流量制御切換弁のストローク量をそれぞれ制御する複数の操作手段と、
    各流量制御切換弁と対応する前記第1流量制御手段及び第2流量制御手段の駆動を関連づけて制御する制御手段とを有することを特徴とする油圧駆動装置。
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