JP3952473B2

JP3952473B2 - 作業機械における油圧制御装置

Info

Publication number: JP3952473B2
Application number: JP2003413225A
Authority: JP
Inventors: 秀人古田
Original assignee: 新キャタピラー三菱株式会社
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: JP2005172136A

Description

本発明は、油圧ショベル等の作業機械における油圧制御装置の技術分野に属するものである。

一般に、油圧ショベル等の作業機械のなかには、複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、各油圧アクチュエータへの圧油供給制御をそれぞれ行うべく作動する制御バルブと、該制御バルブの開度量を制御するバルブ制御手段と、操作具の操作信号を入力して上記バルブ制御手段に対し制御指令を出力する制御部とを備えたものがあるが、このような作業機械の油圧制御装置において、従来、各々の制御バルブの開度量（スプール位置）は、他の操作具の操作状態とは無関係に、対応する操作具の操作量に応じて制御されるように構成されていた。しかるに、このものにおいて、複数の操作具を複合操作した場合、該操作具操作により要求される各油圧アクチュエータの要求流量の和が、油圧ポンプが供給し得る流量よりも多くなることがあるが、このような場合には、低圧負荷側の油圧アクチュエータへの圧油供給が優先されるため、高圧負荷側の油圧アクチュエータへの圧油供給が不足してバキューム状態となり、作動速度が著しく低下したり息つきが起こったりして円滑に動作しなくなるという問題があった。

そこで、操作具操作により要求される各油圧アクチュエータの要求流量の和が油圧ポンプの出力流量よりも多い場合に、該油圧ポンプの出力流量を、各油圧アクチュエータの要求流量比に応じて分配する演算を行い、該演算された分配流量に対応する開度量となるように各バルブ制御手段に制御指令を出力するように構成したものが提唱されている（特許文献１、２参照）。
特許第２６１３０４１号公報特開２０００−１４５７２０号公報

ところで、前記特許文献のものは、油圧ポンプの出力流量を、操作具操作により要求される各油圧アクチュエータの要求流量比に応じて分配する構成となっているため、複数の油圧アクチュエータを連動操作する場合に、従来のように高負荷側の油圧アクチュエータの作動速度のみが低下するようなことはなく、高負荷の油圧アクチュエータも低負荷の油圧アクチュエータと同等の速度で動くことになるが、これが却ってオペレータの操作感覚から外れて、操作性に劣るという問題がある。
また、油圧ポンプの出力流量は、作業負荷の変化に伴う油圧回路の圧力変動によって増減するが、該出力流量の増減に対応して分配流量も増減し、これに伴って制御バルブの開度量も変化することになる。このため、操作具の操作量が一定であっても、例えば大きな作業負荷がかかって回路圧力が急上昇し、該圧力上昇に対応して油圧ポンプの出力流量が急激に少なくなったような場合、該出力流量の減少に伴って制御バルブの開度量が急激に絞られて油圧アクチュエータの作動速度が極端に遅くなるという不具合が生じ、このことも操作性を悪化させる原因になるという問題があり、これらに本発明が解決しようとする課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、各油圧アクチュエータへの圧油供給制御をそれぞれ行う制御バルブと、各制御バルブの開度量を制御するバルブ制御手段と、前記各油圧アクチュエータ用の操作具の操作状態を検出する操作状態検出手段からの信号を入力して前記バルブ制御手段に制御指令を出力する制御部とを備えてなる作業機械において、前記制御部は、複数の油圧アクチュエータが操作される連動操作時において、操作具の操作量に応じて各油圧アクチュエータに要求される要求流量の総和が油圧ポンプの出力流量を越えた場合、各油圧アクチュエータの要求流量を、油圧ポンプの出力流量を各油圧アクチュエータの要求流量比に対応して分配するための分配率、および操作される油圧アクチュエータの数や種類、組合せ等の操作状況に基づいて設定される補正係数により補正し、該補正された要求流量を指令流量として、該指令流量に対応した開度量となるようにバルブ制御手段に制御指令を出力するものであって、前記各バルブ制御手段に対する指令流量の総和は、要求流量の総和以下で、且つ油圧ポンプの出力流量よりも大きくなるように設定されることを特徴とする作業機械における油圧制御装置である。

請求項１の発明とすることにより、各油圧アクチュエータには、操作具の操作量を基にして、操作される油圧アクチュエータの数や種類、組合せ等の操作状況から判断される作業内容に対応して補正された圧油量が供給されることになって、操作性、特に複数の油圧アクチュエータを同時に操作する連動操作時における操作性が向上する。
さらに、連動操作時において各油圧アクチュエータに要求される要求流量の総和が油圧ポンプの出力流量を越えた場合には、油圧ポンプの出力流量を各油圧アクチュエータの要求流量比に対応して分配し、該分配流量をさらに操作される油圧アクチュエータの数や種類、組合せ等の操作状況から判断される作業内容に対応して補正した圧油量が各油圧アクチュエータに供給されることになって、様々な場合における連動操作時の操作性の向上を達成できる。
さらにまた、連動操作時における制御バルブの開度量は、油圧ポンプの出力流量に対応する開度量よりも大きくなるように制御されるため、高負荷側の油圧アクチュエータの回路が流量不足となって、該高負荷側の油圧アクチュエータの作動速度が低負荷側の油圧アクチュエータの作動速度よりも遅くなり、これが、オペレータの操作感覚にマッチすることになって、操作性が向上する。また、作業負荷の変化に伴う油圧回路の圧力変動によって油圧ポンプの出力流量が増減しても、制御バルブの開度量は余裕を有した状態で変化することになって、各油圧アクチュエータが滑らかに動作し、連動操作時における操作性が一段と向上する。

次に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１は油圧ショベルであって、該油圧ショベル１は、クローラ式の下部走行体２、該下部走行体２の上方に旋回自在に支持される上部旋回体３、該上部旋回体３に取付けられるフロントアタッチメント４等の各部から構成されており、さらに該フロントアタッチメント４は、基端部が上部旋回体３に揺動自在に支持されるブーム５、該ブーム５の先端部に揺動自在に支持されるスティック６、該スティック６の先端部に揺動自在に支持されるバケット７等の部材装置から構成されている等の基本的構成は従来通りである。

さらに油圧ショベル１には、右側走行用モータ８、左側走行用モータ９、ブーム５を揺動させるためのブーム用シリンダ１０、スティック６を揺動させるためのスティック用シリンダ１１、バケット７を揺動させるためのバケット用シリンダ１２等の各種油圧アクチュエータが設けられており、これら油圧アクチュエータの作動は、エンジンの動力で駆動する油圧ポンプ１３からの圧油供給に基づいて行われる構成となっている。

前記油圧アクチュエータ８〜１２の油圧回路の概略図を図２に示すが、該図２において、１４〜１８は各油圧アクチュエータ８〜１２への圧油供給排出制御をそれぞれ行う右走行用、左走行用、ブーム用、スティック用、バケット用の制御バルブであって、これら制御バルブ１４〜１８はパイロット操作式の三位置切換弁で構成されている。
そしてこの制御バルブ１４〜１８は、パイロットポート１４ａ〜１８ａまたは１４ｂ〜１８ｂにパイロット圧油が供給されていない状態では、油圧アクチュエータ８〜１２に圧油を供給しない中立位置Ｎに位置しているが、パイロットポート１４ａ〜１８ａまたは１４ｂ〜１８ｂにパイロット圧油が供給されることによりスプールが移動して、対応する油圧アクチュエータ８〜１２の一方の油室８ａ〜１２ａまたは８ｂ〜１２ｂに油圧ポンプ１３からの圧油を供給する弁路、および油圧アクチュエータ８〜１２の他方の油室８ｂ〜１３ｂまたは８ａ〜１２ａからの排出油を油タンク１９に流す弁路が開く圧油供給位置ＸまたはＹに切換る構成になっている。そして、上記制御バルブ１４〜１８の弁路の開度量（スプール位置）は、前記パイロットポート１４ａ〜１８ａまたは１４ｂ〜１８ｂに供給されるパイロット圧の増減に対応して可変制御される。

また、２０Ａ〜２４Ａ、２０Ｂ〜２４Ｂは前記制御バルブ１４〜１８のパイロットポート１４ａ〜１８ａ、１４ｂ〜１８ｂにパイロット圧油をそれぞれ出力する右走行用、左走行用、ブーム用、スティック用、バケット用の電磁比例減圧弁であって、これら電磁比例減圧弁２０Ａ〜２４Ａ、２０Ｂ〜２４Ｂの出力圧力は、後述する制御部２５からの指令に基づいて制御される。

さらに、２６〜３０は右走行用、左走行用、ブーム用、スティック用、バケット用の各操作レバー、操作ペダルの操作量をそれぞれ検出する操作量検出手段であって、角度センサ等から構成されるものであるが、これら操作量検出手段２６〜３０から出力される検出信号は、前記制御部２５に入力されるように構成されている。

前記制御部２５は、マイクロコンピュータ等を用いて構成されるものであるが、該制御部２５は、前記操作量検出手段２６〜３０、油圧ポンプ１３の吐出圧を検出する圧力センサ３１、アクセルダイヤル３２等からの信号を入力し、該入力信号に基づいて前記電磁比例減圧弁２０Ａ〜２４Ａ、２０Ｂ〜２４Ｂに対し制御指令を出力するように構成されている。
ここで、前記アクセルダイヤル３２は、エンジン回転数を設定するための操作ダイヤルであって、本実施の形態では［１］〜［１０］の１０段階にセットでき、例えば、アクセルダイヤル３２を［１］にセットするとエンジン回転数は８５０ｒｐｍに設定され、［５］にセットすると１４５０ｒｐｍに設定され、［１０］にセットすると２２００ｒｐｍに設定される。

次に、前記制御部２５における制御手順について説明すると、まず、前記操作量検出手段２６〜３０から入力される操作具の操作量値に基づいて、対応する各油圧アクチュエータ８〜１２に要求される作動速度を算出し、該作動速度を得るのに必要な要求流量α１〜α５をそれぞれ求める。次いで、各油圧アクチュエータ８〜１２の要求流量α１〜α５の絶対値の総和を算出し、このものを、ポンプ要求流量αとする。
一方、現時点で油圧ポンプ１３が出せる最大トルク、前記圧力センサ３１により検出された油圧ポンプ１３の吐出圧、アクセルダイヤル３２により設定されたエンジン回転数を用いて、現時点での油圧ポンプ１３のポンプ許容流量β（現時点で油圧ポンプ１３が出力できる最大流量であって、本発明の油圧ポンプの出力流量に相当する）を算出する。この場合、図５の流量算出式に示す如く、油圧ポンプ１３の吐出圧が小さくなるとポンプ流量は大きくなるが、吐出圧が極端に小さい値になったときのために第一リミッター３３が設けられていて、油圧ポンプ１３が出力できる最大流量値よりもポンプ許容流量βが大きくならないように制限されている。
次いで、前記ポンプ要求容量αに対するポンプ許容流量βの比（β／α、以下分配率（β／α）と称する。）を求め、該分配率（β／α）に、各油圧アクチュエータ８〜１２の各作動に対して設定される後述の補正係数Ｇを乗じ、さらにこのものに、前記各油圧アクチュエータ８〜１２の要求流量α１〜α５を乗じて、各油圧アクチュエータ８〜１３への指令流量γ１〜γ５を求める。この場合、前記分配率（β／α）に補正係数Ｇを乗じた値が「１」よりも大きいと、各油圧アクチュエータ８〜１２への指令流量γ１〜γ５が要求流量α１〜α５よりも大きくなるという不具合が生じる。これを回避するために、前記分配率（β／α）に補正係数Ｇを乗じた値が「１」以上｛（β／α）×Ｇ１〜Ｇ１０≧１｝の場合には「１」に制限する第二リミッター３４が設けられている。
そして制御部２５は、各油圧アクチュエータ８〜１２に供給される圧油の流量が前記指令流量γ１〜γ５となるように制御バルブ１４〜１８の開度量を制御すべく、電磁比例減圧弁２０Ａ〜２４Ａ、２０Ｂ〜２４Ｂに対して制御指令を出力する。而して制御バルブ１４〜１８は、電磁比例減圧弁２０Ａ〜２４Ａ、２０Ｂ〜２４Ｂから出力されるパイロット圧によって、指令流量γ１〜γ５に相当する開度量となるように制御される。

ここで、前記分配率、つまりポンプ要求容量αに対するポンプ許容流量βの比（β／α）は、油圧ポンプ１３の出力流量を各油圧アクチュエータ８〜１２の要求流量比に対応して分配するための値であって、該分配率（β／α）を各油圧アクチュエータ８〜１２の要求流量α１〜α５に乗じることにより、ポンプ許容流量β（現時点で油圧ポンプ１３が出力できる最大流量）を、操作具操作量から算出される各油圧アクチュエータ８〜１２の要求流量比に対応して分配したときの分配流量（各油圧アクチュエータ８〜１２に割り当てられた流量）を求めることができる。

また、補正係数Ｇは、操作具操作量から算出される各油圧アクチュエータ８〜１２の要求流量α１〜α５を、油圧ショベル１が行う各種作業、例えば、走行、フロントアタッチメント４による掘削作業、排土作業、走行とフロントアタッチメント４の作業との連動等、様々な作業に対応して補正するための値であって、本実施の形態では、右走行前進用補正係数Ｇ１、右走行後進用補正係数Ｇ２、左走行前進用補正係数Ｇ３、左走行後進用補正係数Ｇ４、ブーム上昇用補正係数Ｇ５、ブーム下降用補正係数Ｇ６、スティックイン用補正係数Ｇ７、スティックアウト用補正係数Ｇ８、バケットイン用補正係数Ｇ９、バケットアウト用補正係数Ｇ１０の１０種類が設定されている。さらに、前記各補正係数Ｇ１〜Ｇ１０は、同時に操作される油圧アクチュエータ８〜１２の数、種類、組合せ等の様々な操作状況に対応して、複数の補正係数Ｇ１_１、Ｇ１_２・・・Ｇ１ｎ〜Ｇ１０_１、Ｇ１０_２・・・Ｇ１０ｎが設定されており、例えば、ブーム上昇用補正係数Ｇ５を例にとると、操作具操作が、ブーム上昇のみのときの補正係数Ｇ５_１、ブーム上昇と走行の連動のときの補正係数Ｇ５_２、ブーム上昇とスティックインの２連動のときの補正係数Ｇ５_３、ブーム上昇とスティックインとバケットインの３連動のときの補正係数Ｇ５_４等の複数のブーム上昇用補正係数Ｇ５が設定されている。そして、制御部２５は、操作量検出手段２６〜３０から入力される信号に基づき、操作されている油圧アクチュエータ８〜１２の数、種類、組合せ等を判別して複数の補正係数Ｇのなかから対応する補正係数Ｇを選択し、該選択した補正係数Ｇを用いて、前述した各油圧アクチュエータ８〜１２の指令流量γ１〜γ５を算出する。而して、例えば、前記補正係数Ｇが「１」の場合には、油圧ポンプ１３の出力流量（ポンプ許容流量β）を各油圧アクチュエータ８〜１２の要求流量比に対応して分配したときの分配流量がそのまま指令流量γとして演算され、また、補正係数Ｇが「１．５」の場合には、要求流量の１．５倍が指令流量γとして演算されて、バルブ制御手段２０Ａ〜２４Ａ、２０Ｂ〜２４Ｂに出力される。

ここで、各バルブ制御手段２０Ａ〜２４Ａ、２０Ｂ〜２４Ｂに出力される指令流量γ１〜γ５は、油圧ポンプ１３の出力流量を各油圧アクチュエータ８〜１２の要求流量比に対応して分配したときの分配流量を補正係数Ｇで補正したものであるため、指令流量γ１〜γ５の総和は油圧ポンプ１３の出力流量と一致しないことになるが、複数の油圧アクチュエータ８〜１２（ここにおいて「８〜１２」は油圧アクチュエータ８〜１２のうちの何れか二つ以上の油圧アクチュエータという意味であって、８〜１２の全ての油圧アクチュエータという意味ではない。以下、同様。）が同時に操作される連動操作時において、各油圧アクチュエータ８〜１２に要求される要求流量α１〜α５の総和がポンプ許容流量βを越えた場合、指令流量γ１〜γ５の総和は、要求流量α１〜α５の総和以下で、且つポンプ許容流量βよりも大きくなるように設定されている。この場合、指令流量γ１〜γ５の総和がポンプ許容流量βを越える超過流量δは、操作される油圧アクチュエータ８〜１２の種類、数、組合せ等により異なるが、高負荷側の油圧アクチュエータの回路が若干流量不足となる程度に設定される。
つまり、複数の油圧アクチュエータ８〜１２が操作される連動操作時において、制御バルブ１４〜１８の開度量は、油圧ポンプ１３の出力流量を各油圧アクチュエータの要求流量比に対応して分配したときの分配流量に相当する開度量よりも若干大きくなるように制御され、これにより、高負荷側の油圧アクチュエータの回路が若干流量不足となるように構成されている。

叙述の如く構成されたものにおいて、各油圧アクチュエータ８〜１２は、操作具の操作に基づいて油圧ポンプ１３から圧油供給されることにより作動することになるが、この場合に、各油圧アクチュエータ８〜１２の圧油供給制御を行う制御バルブ１４〜１８の開度量は、操作具の操作量に応じて各油圧アクチュエータ８〜１２に要求される要求流量α１〜α５を、操作される油圧アクチュエータ８〜１２の数や種類、組合せに基づいて設定される補正係数Ｇにより補正し、該補正された要求流量を指令流量γ１〜γ５として、該指令流量γ１〜γ５に対応した開度量となるように制御されることになる。
而して、各油圧アクチュエータ８〜１２には、操作具の操作量を基にして、操作される油圧アクチュエータ８〜１２の数や種類、組合せ等の操作状況から判断される作業内容（例えば、掘削作業、排土作業、積込作業等）に対応して補正された圧油量が供給されることになって、操作性、特に複数の油圧アクチュエータを同時に操作する連動操作時における操作性が向上する。

さらにこのものにおいて、複数の油圧アクチュエータ８〜１２が操作される連動操作時に、操作具の操作量に応じて各油圧アクチュエータ８〜１２に要求される要求流量の総和が油圧ポンプ１３の出力流量を越えた場合、油圧ポンプ１３の出力流量は各油圧アクチュエータ８〜１２に分配されることになるが、各油圧アクチュエータ８〜１２のバルブ制御手段２０Ａ〜２４Ａ、２０Ｂ〜２４Ｂに出力される指令流量γ１〜γ５の総和は、油圧ポンプ１３の出力流量よりも超過流量δだけ大きくなるように制御されることになる。つまり、連動操作時において、制御バルブ１４〜１８の開度量は、油圧ポンプ１３の出力流量を各油圧アクチュエータの要求流量比に対応して分配したときの分配流量に相当する開度量よりも若干大きく、これにより、高負荷側の油圧アクチュエータの回路が若干流量不足となるように制御されることになる。
この結果、複数の油圧アクチュエータが操作される連動作動時において、低負荷側の油圧アクチュエータに対して高負荷側の油圧アクチュエータの作動速度が若干遅くなり、これが、オペレータの操作感覚にマッチすることになって、操作性が向上する。
因みに、指令流量γ１〜γ５の総和がポンプ許容流量βを越える超過流量δは、高負荷側の油圧アクチュエータの回路が若干流量不足となる程度であって、操作具の操作量がそのまま制御バルブの開度量となる従来のもののように、高負荷側の油圧アクチュエータの作動速度が著しく低下したり、息つきが起こったりするような不具合が発生することはない。

しかも、前述したように、連動操作時において要求流量の総和がポンプ許容流量βを越えた場合に、指令流量γ１〜γ５の総和が油圧ポンプ１３の出力流量よりも超過流量δだけ大きくなるように制御される構成であるため、作業時において油圧回路の圧力が大きく変動し、該圧力変動によってポンプ許容流量βが急激に減少したような場合であっても、これに追随して制御バルブ１４〜１８の開度量が急激に絞られてしまうようなことがない。つまり、作業負荷の変化に伴う油圧回路の圧力変動によってポンプ許容流量βが増減しても、該ポンプ許容流量βよりも指令流量γ１〜γ５の総和が大きく設定されていることにより、制御バルブ１４〜１８の開度量は余裕を有した状態で変化することになって、各油圧アクチュエータが滑らかに動作し、連動操作時における操作性が一段と向上する。

尚、前記補正係数Ｇは、前述したように、操作される油圧アクチュエータ８〜１２の数、種類、組合せ等の様々な操作状況に対応して設定されるものであるが、該補正係数Ｇを設定するにあたり、作業機械の機種（大型、中型、小型、装着されるフロントアタッチメントの種類）によって動作状況、作業内容、各作業の優先度合い、あるいは機体構成部品の大きさ、重量、材質等が異なるため、それぞれの機種に対応した補正係数Ｇを設定することが望ましい。

また、本実施の形態において、油圧ショベルに設けられる油圧アクチュエータの一つである旋回用モータは、他の油圧アクチュエータの圧油供給源となる油圧ポンプとは別個の専用の油圧ポンプから圧油供給される構成になっており、このため、旋回用モータの圧油供給制御を行う制御バルブについての説明は省略してあるが、旋回用モータも他の油圧アクチュエータと共通の油圧ポンプから圧油供給される場合には、旋回用モータの制御バルブについても他の油圧アクチュエータと同様の開度量制御が行われるように構成できることは、勿論である。

油圧ショベルの側面図である。油圧アクチュエータへの圧油供給を示す油圧回路の概略図である。制御部の入出力を示すブロック図である。ポンプ要求流量の算出手順を示す制御ブロック図である。ポンプ許容流量の算出手順を示す制御ブロック図である。指令流量の算出手順を示す制御ブロック図である。

符号の説明

８〜１２油圧アクチュエータ
１３油圧ポンプ
１４〜１８制御バルブ
２０Ａ〜２４Ａ電磁比例減圧弁
２０Ｂ〜２４Ｂ電磁比例減圧弁
２５制御部
２６〜３０操作量検出手段

Claims

複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、各油圧アクチュエータへの圧油供給制御をそれぞれ行う制御バルブと、各制御バルブの開度量を制御するバルブ制御手段と、前記各油圧アクチュエータ用の操作具の操作状態を検出する操作状態検出手段からの信号を入力して前記バルブ制御手段に制御指令を出力する制御部とを備えてなる作業機械において、前記制御部は、複数の油圧アクチュエータが操作される連動操作時において、操作具の操作量に応じて各油圧アクチュエータに要求される要求流量の総和が油圧ポンプの出力流量を越えた場合、各油圧アクチュエータの要求流量を、油圧ポンプの出力流量を各油圧アクチュエータの要求流量比に対応して分配するための分配率、および操作される油圧アクチュエータの数や種類、組合せ等の操作状況に基づいて設定される補正係数により補正し、該補正された要求流量を指令流量として、該指令流量に対応した開度量となるようにバルブ制御手段に制御指令を出力するものであって、前記各バルブ制御手段に対する指令流量の総和は、要求流量の総和以下で、且つ油圧ポンプの出力流量よりも大きくなるように設定されることを特徴とする作業機械における油圧制御装置。