JP3915622B2 - 油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧ショベルやこれを母体として構成される解体機、深穴掘削機等の作業機械に用いられる油圧アクチュエータ回路において、負荷が作用する状況で負荷側管路のバーストや油漏れ等が生じた場合に負荷の落下を防止する負荷保持装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
たとえば油圧ショベルのブームシリンダには、常時、掘削アタッチメントの自重と積み荷重量を合わせた負荷がシリンダ縮小方向に作用するため、この負荷側(縮小側)管路がバーストしたり、コントロールバルブその他の部分で油漏れが発生したりすると、アタッチメントが落下する危険がある。
【0003】
このため、とくにクレーン仕様の油圧ショベルや長尺アタッチメントを装着する作業機械における油圧アクチュエータ回路の負荷側管路には、通常、上記バースト等の異常事態が発生したときに、ブームシリンダから負荷側管路への油の流出を止めて負荷の落下を防止する保持弁(安全弁という場合もある)が設けられている(たとえば特開平3−57507号、特開平10−267009号参照)。
【0004】
従来の保持弁付きのブームシリンダ回路を図10に示す。
【0005】
同図において、1はブームシリンダ、2はこのブームシリンダ1の油圧源としての油圧ポンプで、この油圧ポンプ2と、ブームシリンダ1の伸長側(負荷側)及び縮小側両管路3,4との間に油圧パイロット式のコントロールバルブ5が設けられている。Tはタンクである。
【0006】
このコントロールバルブ5は、リモコン弁6からのパイロット圧Piによって制御され、リモコン弁6の操作量に応じた同バルブ5の動作によってブームシリンダ1の作動方向と速度が制御される。
【0007】
また、伸長側管路3には、油圧パイロット式の保持弁7と、チェック弁8と、リリーフ弁9から成る保持弁回路10が、通常はブームシリンダ1に直付け状態で設けられている。
【0008】
保持弁7は、リモコン弁6からのパイロット圧Piにより、リモコン弁6の操作量に応じてコントロールバルブ5とともに開口が変化し、コントロールバルブ5の中立状態でたとえば伸長側管路3がバーストしたときに、この保持弁7が閉じることにより、ブームシリンダ1から伸長側管路3への油の流出が阻止されてシリンダ1の縮小(負荷の落下)が防止される。
【0009】
ところで、欧州では、この保持弁の性能についてISO 8643で詳しく定められ、各種試験をクリアすることが求められる。
【0010】
このうち増速試験として、ブームシリンダの負荷側管路に保持弁を設けた回路構成(図10の回路構成)において、実車定格吊上げ能力の1/2のテスト負荷を掛け、その負荷の作動速度を200mm/secに設定しておいて、ブームシリンダの負荷側管路をバーストさせたときのシリンダ速度を測定する試験があり、このときのシリンダ速度が2倍(400mm/sec)未満であることが義務づけられている。
【0011】
この性能を守るには、200mm/sec前後の速度域で、コントロールバルブのメータアウト開口に対し、保持弁開口を同等近くまで絞っておく必要がある。
【0012】
なお、回路の開口は理論上、次のようになる。
【0013】
1/A12+1/A22=1/ATOTAL 2
A1:コントロールバルブのメータアウト開口
A2:保持弁開口
ATOTAL:シリーズの合成開口
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
従って、合成開口ATOTALで200mm/secの速度を確保し、負荷側管路がバーストして保持弁開口A2のみとなった場合に、速度が2倍速(400mm/sec)を超えないように保持弁開口A2を決める必要がある。
【0015】
このため、保持弁開口A2はコントロールバルブのメータアウト開口(以下、単にバルブ開口という)A1に対して圧倒的に大きな開口とはならない。
【0016】
一方、バルブ開口A1は、普通、保持弁が無い機械において目標の操作性を確保することを基準として決められるため、保持弁が設けられて二つの開口A1,A2がシリーズに接続された機械では、上記のように保持弁開口A2はバルブ開口A1に対して圧倒的に大きくはできないという理由から、そのままでは目標の操作性が確保できない結果になる。
【0017】
この場合、従来は、保持弁が設けられた場合にもバルブ開口A1のみの場合と同等の操作性が得られるように、試行錯誤しながら保持弁開口A2を決めていた。
【0018】
しかし、この保持弁開口のチューニング作業は大変煩わしく、また一旦決めた保持弁開口A2も加工公差等の幅を持っているため、A1+A2のシリーズ開口でバルブ開口A1単独の場合と同等の操作性を確保することが困難となっていた。
【0019】
そこで本発明は、バルブ開口単独の場合と同等の操作性(目標となる操作性)を確保しながら、保持弁本来の安全機能を果たし、しかも保持弁開口を、バルブ開口に縛られずに単独で簡単に設定することができる油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置を提供するものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、操作手段によって操作されるコントロールバルブを備え、このコントロールバルブにより上記操作手段の操作量に応じて油圧アクチュエータの作動を制御する油圧アクチュエータ回路の負荷側管路に、操作手段の操作量に応じて開口が変化する保持弁が設けられ、上記コントロールバルブの中立状態で上記保持弁を閉じて負荷を保持するように構成された油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置において、油圧アクチュエータの作動時に上記保持弁の開口を制御する保持弁制御手段が設けられ、この保持弁制御手段は、
(a)上記負荷側管路に作用する保持圧が一定値以上となる正常時には、保持弁開口を、そのときのコントロールバルブのメータアウト開口よりも十分大きな値に設定し、
(b)保持圧が一定値以下に低下する異常時に、保持弁開口を、アクチュエータ速度が保持弁が無い場合よりも低くなる値に設定し、かつ、上記操作量に対する保持弁開口の変化量を正常時よりも小さくする
ように構成されたものである。
【0021】
請求項2の発明は、請求項1の構成において、保持弁制御手段は、異常時の保持弁開口を、アクチュエータ速度が正常時の2倍未満となる値に設定するように構成されたものである。
【0022】
請求項3の発明は、請求項1または2の構成において、保持弁は、操作手段の操作によるパイロット圧に応じて開口が変化する油圧パイロット弁として構成され、保持弁制御手段は、保持圧を保持弁に対し上記パイロット圧に加勢する方向に加えることにより、指令信号に対する保持弁開口の変化量を保持圧に基づいて変化させるように構成されたものである。
【0023】
請求項4の発明は、請求項3の構成において、保持弁制御手段は、保持圧を、保持弁に おけるリターンバネのセット圧力を減少させる方向に加えるように構成されたものである。
【0024】
請求項5の発明は、請求項3の構成において、保持弁制御手段は、保持圧を、保持弁のパイロットポートに加えるように構成されたものである。
【0025】
請求項6の発明は、請求項3の構成において、保持弁制御手段は、保持弁のパイロットラインに設けられた減圧弁を有し、保持圧に応じてこの減圧弁の出力を変化させるように構成されたものである。
【0026】
請求項7の発明は、請求項6の構成において、減圧弁として油圧パイロット式の減圧弁が設けられ、保持弁制御手段は、保持圧をこの減圧弁にパイロット圧として供給するように構成されたものである。
【0027】
請求項8の発明は、請求項6の構成において、保持弁制御手段は、保持弁のパイロットラインに設けられた電磁比例式の減圧弁と、保持圧を検出する保持圧センサと、この保持圧センサからの信号に応じて上記減圧弁に指令信号を出力するコントローラとを具備するものである。
【0028】
上記構成によると、負荷側管路にバースト等の異常事態が発生して同管路の圧力(保持圧)が低下したときに、保持弁開口が絞られてアクチュエータ速度の増加が抑えられる。
【0029】
従って、異常時の保持弁開口を、望ましいアクチュエータ速度(請求項2ではISO規格に合った正常時の2倍速未満)が得られる値に設定しておくことにより、作業機械における負荷の急落を防止して安全を確保することができる。
【0030】
一方、バースト等が発生していない正常時には、保持弁開口がそのときのバルブ開口よりも十分大きい値に設定されるため、この保持弁開口によって操作性が影響を受けるおそれがない。
【0031】
すなわち、目標の操作性に基づいてバルブ開口を設定しておけば、狙い通りの操作性を確保することができ、目標の操作性を得るために保持弁開口をチューニングする面倒な作業が不要となる。
【0032】
いいかえれば、保持弁開口のチューニングを、バルブ開口に縛られずに単独で、正常時にはバルブ開口よりも十分大きく、異常時には安全弁機能を果たし得ることのみを基準として簡単に行うことができる。
【0033】
この場合、保持弁開口が操作手段の操作量(パイロット圧)に応じてバルブ開口とともに変化する回路構成において、操作量に対する保持弁開口の変化量が保持圧に基づいて、低保持圧で小変化量となる方向に変化する。
【0034】
ここで、請求項3〜7の構成によると、保持圧が油圧パイロット式の保持弁に対し外部パイロット圧に加勢する方向に加えられ、保持圧の変化が保持弁開口の変化に直結するため、たとえば保持圧をセンサで検出し、このセンサ信号を油圧信号に変換して保持弁に加える構成(請求項8)と比較して保持弁の動作が迅速、確実に行われ、装置の信頼性が高いものとなる。
【0035】
また、基本的に保持弁開口を操作手段によって制御できるため、たとえばアタッチメントが高い位置で停止した後、操作手段の操作により保持弁を徐々に開いてアクチュエータを作動させ、アタッチメントを低位置に下ろすという操作が可能となる。
【0036】
一方、請求項8の構成によると、保持圧の変化に対する保持弁開口の変化の仕方を、コントローラでの信号処理によって任意に選択できるため、制御の幅を広げることが可能となる。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図1〜図9によって説明する。
【0038】
以下の実施形態では、従来技術の説明に合わせて油圧ショベル、またはこれを母体とする作業機械のブームシリンダ回路を適用対象として例にとっている。
【0039】
第1実施形態(図1〜図3参照)
11はブームシリンダ、12は同シリンダ11の油圧源として油圧ポンプ、13は同シリンダ11の伸長側(負荷側)管路、14は同縮小側管路、15はリモコン弁16からのパイロット圧Piによりストローク作動してブームシリンダ1の作動を制御するコントロールバルブ、Tはタンクである。
【0040】
ブームシリンダ11に直付け状態で伸長側管路13に設けられた保持弁回路Hは、保持弁17と、チェック弁18と、リリーフ弁19、それに保持弁17のリターンバネ17a側に設けられた保持弁制御手段としてのアシストシリンダ20から成っている。
【0041】
アシストシリンダ20は、リターンバネ17aに接してその圧力(パイロット圧Piに対抗する力。以下、バネセット圧力という)を制御するピストンロッド21と、バネセット圧力を弱める方向にピストンロッド21を加圧する第1圧力室22と、バネセット圧力を強める方向にピストンロッド21を加圧する第2圧力室23とから成り、パイロット圧Piが第2圧力室23に、伸長側管路13に作用する保持圧Phが第1圧力室22にそれぞれ導入されるように構成されている。
【0042】
従って、保持圧Phが一定以上(ブームシリンダ11の負荷によって決まる値)となる正常時には、バネセット圧力が低くなるため、保持弁17の開口が大きくなり、保持圧Phが一定以下(たとえば伸長側管路13が完全にバーストした状態ではほぼ0)に低下する異常時には、バネセット圧力が高くなるため、保持弁17の開口が小さくなる。
【0043】
ここで、この保持弁開口は、正常時にはコントロールバルブ15のメータアウト開口(以下、単にバルブ開口という)に対して十分大きな値に設定され、異常時にシリンダ速度が保持弁無しの場合よりも低くなる値に設定される。
【0044】
たとえば、ISO対応の機械の例でいうと、実車定格吊上げ能力の1/2のテスト負荷で、その負荷の作動速度を200mm/secに設定しておいて、ブームシリンダ11の伸長側管路13をバーストさせたときのシリンダ速度が2倍未満となるように保持弁開口が制御される。
【0045】
この保持弁開口の制御状況を図2,3に示す。
【0046】
図2はパイロット圧Piの変化に対するバルブ開口及び保持弁開口の変化状況、図3はパイロット圧Piの変化に対する保持弁17のスプールストロークをそれぞれ示している。
【0047】
図2中、一点鎖線Iは正常時の保持弁開口特性、二点鎖線IIはバースト発生時の保持弁開口特性、実線IIIはバルブ開口特性、Aは正常時にシリンダ速度が200mm/secとなるパイロット圧Piの値(リモコン弁16の操作量)をそれぞれ示し、正常時には保持弁開口が図2のア点の値、バルブ開口が同ウ点の値となり、このときの合成開口によってシリンダ速度が200mm/secとなる。
【0048】
そして、バースト発生時には、保持弁開口が図2のイ点まで減少し、このときの合成開口によってシリンダ速度が400mm/sec未満に抑えられる。
【0049】
なお、バースト発生時にシリンダ速度が正常時の速度(200mm/sec)またはそれ以下に抑えられるように保持弁開口を制御する構成をとってもよい。
【0050】
このように、シリンダ伸長側管路13にバースト等の異常事態が発生して保持圧Phが低下したときに、保持弁開口が絞られてアクチュエータ速度の増加抑えられるため、この異常時の保持弁開口を、望ましいアクチュエータ速度(たとえば上記のようにISO規格に合った正常時の2倍速未満)が得られる値に設定しておくことにより、作業機械におけるアタッチメントの急落を防止して安全を確保することができる。
【0051】
一方、バースト等が発生していない正常時には、保持弁開口がそのときのバルブ開口よりも十分大きい値となるため、この保持弁開口によって操作性が影響を受けるおそれがない。
【0052】
つまり、保持弁開口のチューニングを、バルブ開口に縛られずに単独で、正常時にはバルブ開口よりも十分大きく、異常時には安全弁機能を果たし得ることのみを基準として簡単に行うことができる。
【0053】
また、基本的に保持弁開口をリモコン弁16によって制御できるため、たとえばバースト発生によってアタッチメントが高い位置で停止した場合、リモコン弁16の操作により保持弁開口を徐々に開いてブームシリンダ11を縮小側に作動させ、アタッチメントを低位置に下ろすという操作が可能となる。
【0054】
さらに、保持圧Phが保持弁17に対し、パイロット圧Piに加勢して保持弁開口を広げる方向(バネセット圧力を弱める方向)に加えられ、保持圧Phの変化が保持弁開口の変化に直結するため、たとえば保持圧Phをセンサで検出し、このセンサ信号を油圧信号に変換して保持弁に加える構成とした場合と比較して保持弁17の動作が迅速、確実に行われ、装置の信頼性が高いものとなる。
【0055】
第2実施形態(図4,5参照)
以下の実施形態において、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。
【0056】
第2実施形態においては、図4に示すように、保持弁回路Hに、パイロット圧Piに応じて二次圧が変化する保持弁制御手段としての減圧弁24が設けられ、保持圧Phがこの減圧弁24で減圧されて、パイロット圧Piとともに保持弁17に加えられる構成がとられている。
【0057】
この構成によると、基本的に第1実施形態と同様に、保持圧Phが、パイロット圧Piに加勢して保持弁開口を広げる方向に作用し、正常時には保持弁開口がバルブ開口よりも十分大きな値に設定され、異常時には保持弁開口が絞られる。
【0058】
この保持弁開口の変化状況を図5に示す。
【0059】
同図のように、正常時には、パイロット圧Piが予め定められた値PiSに達したとき(スプールストロークがエに達したとき)から、減圧弁二次圧がパイロット圧Piに加えられて保持弁開口(スプールストローク)の増加度合いが大きくなり、たとえばA点でシリンダ速度が200mm/secとなる。このときの保持弁開口はバルブ開口よりも十分大きな値となる。
【0060】
一方、バースト発生時には、減圧弁二次圧が加えられないため、保持弁開口はパイロット圧Piのみに依存して緩やかに増加し、保持弁開口が正常時よりも絞られる。これにより、たとえばA点でのシリンダ速度が400mm/sec未満に抑えられる。
【0061】
第3、第4実施形態(図6〜9参照)
第3、第4両実施形態においては、保持弁17に導入されるパイロット圧Piが保持圧Phに応じて制御されるように構成されている。
【0062】
すなわち、第3実施形態では、図6に示すように、保持弁17のパイロットラインに、保持圧Phによって二次圧が変化する保持弁制御手段としての減圧弁25が設けられ、図7に示すように、保持圧Phの低下時(異常発生時)に、パイロット圧Piが低下することにより、リモコン弁操作量に対する保持弁スプールストロークの増加の割合が減少して保持弁開口が絞られるように構成されている。
【0063】
一方、第4実施形態においては、図8に示すように、保持弁17のパイロットラインに電磁比例式の減圧弁26が設けられるとともに、保持圧Ph及びパイロット圧Piをそれぞれ検出する圧力センサ27,28が設けられ、この両圧力センサ27,28からの圧力信号に基づき、コントローラ29からの指令信号によって減圧弁26の二次圧Pi2が制御される。
【0064】
この制御内容をさらに詳述すると、コントローラ29は、図9に示すように、検出された保持圧Phが設定値PhSを超えているとき(ステップS1でNOのとき=正常時)、及びパイロット圧Piが設定値PiS以下のとき(ステップS2でNOのとき)に、それぞれPi=Pi2(比例弁二次圧)とする信号を電磁比例弁26に送る(ステップS3)。
【0065】
これに対し、ステップS1でYES(Ph<PhS=異常発生)となり、かつ、ステップS2でYES(Pi≧PiS)のときに、二次圧Pi2を低下させる信号を電磁比例弁26に送る(ステップS4)。
【0066】
これにより、ステップS4中に実線で示すようにパイロット圧Piに対する比例弁二次圧Pi2の変化の割合が、正常時(同二点鎖線で示す)よりも緩やかとなり、保持弁開口が絞られる。
【0067】
この第3及び第4両実施形態によっても、第1及び第2実施形態と同様に、目標となる操作性を確保しながら異常時にはシリンダ速度の増加を抑え、しかも保持弁開口の設定を保持弁17単独で簡単に行うことができる。
【0068】
また、第4実施形態によると、保持圧Phの変化に対する保持弁開口の変化の仕方を、コントローラ29での信号処理によって任意に選択できるため、制御の幅を広げることが可能となる。
【0069】
ところで、本発明はブームシリンダ回路に限らずアームシリンダ回路にも、また油圧ショベルまたはこれを母体とする作業機械以外の作業機械(たとえばクレーン)における油圧アクチュエータ回路(油圧モータ回路を含む)にも適用することができる。
【0070】
【発明の効果】
上記のように本発明によると、負荷側管路にバースト等の異常事態が発生したときに負荷の急落を防止するという保持弁本来の安全機能を果たしながら、正常時には保持弁開口をバルブ開口よりも十分大きくとって目標の操作性を確保することができる。
【0071】
しかも、保持弁開口のチューニングを、バルブ開口に縛られずに単独で、正常時にはバルブ開口よりも大きく、異常時には安全弁機能を果たし得ることのみを基準として簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態にかかる負荷保持装置を含むブームシリンダ回路図である。
【図2】 同装置における保持弁のパイロット圧/保持弁開口の特性を示す図である。
【図3】 同パイロット圧/保持弁スプールストロークの特性を示す図である。
【図4】 本発明の第2実施形態にかかる負荷保持装置を含むブームシリンダ回路図である。
【図5】 同装置における保持弁のパイロット圧/保持弁スプールストロークの特性を示す図である。
【図6】 本発明の第3実施形態にかかる負荷保持装置を含むブームシリンダ回路図である。
【図7】 同装置におけるリモコン弁操作量/保持弁スプールストロークの特性を示す図である。
【図8】 本発明の第4実施形態にかかる負荷保持装置を含むブームシリンダ回路図である。
【図9】 同装置における制御フローを示す図である。
【図10】 従来の負荷保持装置を含むブームシリンダ回路図である。
【符号の説明】
11 ブームシリンダ(油圧アクチュエータ)
13 ブーム伸長側管路(負荷側管路)
15 コントロールバルブ
16 操作手段としてのリモコン弁
H 保持弁回路
17 保持弁
17a 保持弁のリターンバネ
20 保持弁制御手段としてのアシストシリンダ
Pi パイロット圧
Ph 保持圧
24,25 保持弁制御手段としての減圧弁
26 保持弁制御手段を構成する電磁比例減圧弁
27 同圧力センサ
29 同コントローラ
Claims (8)
- 操作手段によって操作されるコントロールバルブを備え、このコントロールバルブにより上記操作手段の操作量に応じて油圧アクチュエータの作動を制御する油圧アクチュエータ回路の負荷側管路に、操作手段の操作量に応じて開口が変化する保持弁が設けられ、上記コントロールバルブの中立状態で上記保持弁を閉じて負荷を保持するように構成された油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置において、油圧アクチュエータの作動時に上記保持弁の開口を制御する保持弁制御手段が設けられ、この保持弁制御手段は、
(a)上記負荷側管路に作用する保持圧が一定値以上となる正常時には、保持弁開口を、そのときのコントロールバルブのメータアウト開口よりも十分大きな値に設定し、
(b)保持圧が一定値以下に低下する異常時に、保持弁開口を、アクチュエータ速度が保持弁が無い場合よりも低くなる値に設定し、かつ、上記操作量に対する保持弁開口の変化量を正常時よりも小さくする
ように構成されたことを特徴とする油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置。 - 保持弁制御手段は、異常時の保持弁開口を、アクチュエータ速度が正常時の2倍未満となる値に設定するように構成されたことを特徴とする請求項1記載の油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置。
- 保持弁は、操作手段の操作によるパイロット圧に応じて開口が変化する油圧パイロット弁として構成され、保持弁制御手段は、保持圧を保持弁に対し上記パイロット圧に加勢する方向に加えることにより、指令信号に対する保持弁開口の変化量を保持圧に基づいて変化させるように構成されたことを特徴とする請求項1または2記載の油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置。
- 保持弁制御手段は、保持圧を、保持弁におけるリターンバネのセット圧力を減少させる方向に加えるように構成されたことを特徴とする請求項3記載の油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置。
- 保持弁制御手段は、保持圧を、保持弁のパイロットポートに加えるように構成されたことを特徴とする請求項3記載の油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置。
- 保持弁制御手段は、保持弁のパイロットラインに設けられた減圧弁を有し、保持圧に応じてこの減圧弁の出力を変化させるように構成されたことを特徴とする請求項3記載の油圧アクチュエータの負荷保持装置。
- 減圧弁として油圧パイロット式の減圧弁が設けられ、保持弁制御手段は、保持圧をこの減圧弁にパイロット圧として供給するように構成されたことを特徴とする請求項6記載の油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置。
- 保持弁制御手段は、保持弁のパイロットラインに設けられた電磁比例式の減圧弁と、保持圧を検出する保持圧センサと、この保持圧センサからの信号に応じて上記減圧弁に指令信号を出力するコントローラとを具備することを特徴とする請求項6記載の油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置。
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