JP4024120B2

JP4024120B2 - Energy recovery device for hydraulic construction machinery

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Publication number: JP4024120B2
Application number: JP2002285910A
Authority: JP
Inventors: 栄治江川; 正巳落合; 誠二山下; 透榑沼; 修司大平; 博嗣糟谷
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2004124381A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベルやホイールローダなどの油圧建設機械に係わり、特に、その油圧建設機械に設けられたエネルギ回生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、建設機械の１つである油圧ショベルは、下部走行体と、この下部走行体に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に伏仰可能に接続され、ブーム、アーム、及びバケットを含む多関節型のフロント作業機とを備えている。
【０００３】
これら下部走行体、上部旋回体、及びフロント装置は、この油圧ショベルに備えられた油圧駆動装置の被駆動部材を構成している。この油圧駆動装置は、一般に、エンジン等の原動機と、この原動機によって駆動する少なくとも１つの油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記ブーム、アーム、バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記下部走行体を走行させる走行用油圧モータ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記上部旋回体を下部走行体に対し旋回させる旋回用油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータをそれぞれ操作する操作手段とを有している。
【０００４】
ここで、上記油圧油圧アクチュエータの被駆動部材の中でも、例えば、旋回用油圧モータにより旋回駆動される上部旋回体や、ブーム用油圧シリンダにより伏仰駆動されるブームは大型物であり、その自重が比較的重い。したがって、旋回運動している上部旋回体は大きな慣性運動エネルギを持っており、また自重で落下するブームは大きな位置エネルギを放出していることとなるが、元来、これら旋回の慣性運動エネルギやブームの位置エネルギは、油圧駆動装置の油圧回路中において作動油が流動するときの絞り損失としてそのまま捨てられていた。
【０００５】
そこで、これを回収し有効活用するために、例えば、特開２０００−１３６８０６号公報や特開平１１−３４３６４２号公報に記載の従来技術が提唱されている。
【０００６】
特開２０００−１３６８０６号公報に記載のエネルギ回収装置は、ブーム用油圧シリンダや旋回用油圧モータの排出油でポンプモータを駆動し、この動力で発電機を駆動して発生した電力をバッテリに蓄え、そのバッテリの電力を再生に利用するものであり、これによって旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを回収し有効活用できるように図っている。
【０００７】
特開平１１−３４３６４２号公報に記載のバッテリー駆動式作業機械では、旋回用アクチュエータ及びブーム用アクチュエータとして電動モータ（兼発電機）を使用することにより、旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを電力としてバッテリに蓄えるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下の課題が存在する。
【０００９】
特開２０００−１３６８０６号公報に記載の従来技術では、圧油のエネルギを回収するために、油圧ポンプモータによって電動モータを駆動するので回収効率が低い。また、エネルギ回収用の油圧装置を別途設ける必要があるため、装置が複雑となる。また特に、排出油についてのメータリングを制御するのは困難である。以上の結果、現実には実用化は困難である。
【００１０】
特開平１１−３４３６４２号公報に記載の従来技術では、すべてのアクチュエータを電動モータとしているが、現状では電動モータで現行の油圧アクチュエータと同等の性能を得るのは困難であるため、アクチュエータをすべて電動モータ化するのは実際上無理がある。特に、ブームの駆動アクチュエータとして電動モータを使用しようとすると大駆動力を得るためには減速機が必要となり、駆動系の大型化を招く。以上の結果、現実には実用化は困難である。
【００１１】
本発明の目的は、簡単かつ実用化が容易な構成で、高効率のエネルギ回収を行える油圧建設機械のエネルギ回生装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体を旋回駆動する旋回用油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記旋回用油圧モータに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第１電動・発電機と、前記第１電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第１蓄電手段と、前記第１電動・発電機の動作を制御する第１電動・発電機制御手段とを備え、前記第１電動・発電機制御手段は、旋回用操作レバーの操作量が所定値以上になると、前記第１蓄電手段の電気エネルギーを前記第１電動・発電機に供給して前記第１電動・発電機を電動機として作用させ、前記旋回用操作レバーの操作量が０近傍の所定範囲内となると、前記第１電動・発電機を発電機として作用させ、その第１電動・発電機で発生した電気エネルギーを前記第１蓄電手段に蓄えるよう前記第１電動・発電機の動作を制御するものとする。
【００１３】
本発明においては、第１電動・発電機制御手段の制御に基づき、少なくとも旋回用油圧モータに併設された第１電動・発電機が旋回用油圧モータの補助的な駆動・被駆動を行い、第１蓄電手段と電気エネルギの授受を行う。これにより、上部旋回体の減速時にその慣性運動エネルギによって旋回用油圧モータに併設した第１電動・発電機で発電を行い、その電気エネルギを第１蓄電手段に効率よく蓄える（回生する）ことが可能となる。また上部旋回体の駆動時に、その第１蓄電手段に蓄えた電気エネルギを第１電動・発電機に供給し旋回用油圧モータを補助的に駆動することができる。
【００１４】
本発明においては、以上のようにして、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、旋回用油圧モータに第１電動・発電機を併設するとともに第１電動・発電機制御手段、第１蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、原動機としてエンジンを使う場合には作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【００１６】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１電動・発電機制御手段は、前記旋回用油圧モータが減速する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第１蓄電手段に回生するように、前記第１電動・発電機の動作を制御する。
【００１７】
（３）上記目的を達成するために、また本発明は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に俯仰可能に連結され、ブーム、アーム、バケットを備えた多関節型のフロント作業機と、前記ブーム、前記アーム、前記バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記ブーム用油圧シリンダに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第２電動・発電機と、前記第２電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第２蓄電手段と、前記第２電動・発電機の動作を制御する第２電動・発電機制御手段とを備え、前記第２電動・発電機制御手段は、ブーム用操作レバーの上げ方向を正で表した場合、ブーム用操作レバーの操作量がブーム上げ方向で所定値以上になると、前記第２蓄電手段の電気エネルギーを前記第２電動・発電機に供給して前記第２電動・発電機を電動機として作用させ、前記ブーム用操作レバーの操作量がブーム下げ方向で所定値以下になると、前記第２電動・発電機を発電機として作用させ、その第２電動・発電機で発生した電気エネルギーを前記第２蓄電手段に蓄えるよう前記第２電動・発電機の動作を制御するものとする。
本発明においては、第２電動・発電機制御手段の制御に基づき、少なくともブーム用油圧シリンダに併設された第２電動・発電機がそのブーム用油圧シリンダの補助的な駆動・被駆動を行い、第２蓄電手段と電気エネルギの授受を行う。これにより、ブームが落下する時にその位置エネルギによってブーム用油圧シリンダに併設した第２電動・発電機で発電を行い、その電気エネルギを第２蓄電手段に効率よく蓄える（回生する）ことが可能となる。またブーム用油圧シリンダの駆動時に、その第２蓄電手段に蓄えた電気エネルギを第２電動・発電機に供給しブーム用油圧シリンダを補助的に駆動することができる。
本発明においては、以上のようにして、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、ブーム用油圧シリンダに第２電動・発電機を併設するとともに第２電動・発電機制御手段、第２蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、原動機としてエンジンを使う場合には作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【００１８】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第２電動・発電機制御手段は、前記ブームの自重落下に伴う前記ブーム用油圧シリンダが縮短する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第２蓄電手段に回生するように、前記第２電動・発電機の動作を制御する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
本発明の第１の実施形態を図１〜図４により説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図２は、本実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【００２２】
図１において、この油圧ショベルは、走行手段としての左・右無限軌道履帯１Ａを備えた下部走行体１と、この下部走行体１上に旋回可能に設けた上部旋回体２と、この上部旋回体２に俯仰動可能に接続され、ブーム３、アーム４、バケット５からなる多関節型の油圧作業機（フロント装置）６と、ブーム３、アーム４、バケット５、上部旋回体２、左・右無限軌道履帯１Ａをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒとを備えている。
【００２３】
図２において、この油圧ショベルの油圧駆動装置は、上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０と、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒと、原動機としてのエンジン１２と、このエンジン１２により直接駆動される油圧ポンプ１３と、この油圧ポンプ１３より吐出され上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへそれぞれ供給される圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ、アーム用コントロールバルブ、バケット用コントロールバルブ、旋回用コントロールバルブ、左・右走行用コントロールバルブ等を備えたコントロールバルブ装置１４と、操作レバー装置１５と、この操作レバー装置１５の操作信号を入力し、対応するコントロールバルブの駆動信号を生成して出力するコントローラ１６とを備えている。
【００２４】
そして、本実施形態のエネルギ回生装置は、旋回用油圧モータ１０に機械的に直結され、旋回用油圧モータ１０の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機１７と、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え、上記電動・発電機１７の制御を行う電動・発電機制御装置（インバータ／コンバータ）１８と、電動・発電機制御装置と電気エネルギの授受を行う蓄電装置（バッテリ）１９とを備えている。
【００２５】
次に、上記構成の本実施形態のエネルギ回収装置の動作及び作用効果を図３を用いて説明する。図３は、前述した旋回用操作レバーの操作量と上記電動・発電機１７におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図であり、右旋回方向へのレバー操作量及びモータトルク発生量を正の値にとって表したものである。
【００２６】
上記構成である本実施形態においては、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうとして油圧ショベルの上部旋回体２を右旋回動作させるべく操作レバー装置１５の旋回用操作レバー（図示せず）を右旋回方向（又は左旋回方向、かっこ内対応関係同じ）に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、旋回用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油が旋回用コントロールバルブから旋回用油圧モータ１０へ供給されて右方向（又は左方向）へ回転駆動され、旋回を開始する。またこのとき、図３に示すように、操作量ｘ（右方向を正で表す）が所定値ｘ_o以上となると（又は所定値−ｘ_o以下となると）、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギが電動・発電機１７に供給されて電動・発電機１７が電動機として作用し図３に示すように右旋回方向のトルクＴ_o（又は左旋回方向のトルク−Ｔ_o）を発生し、これによって旋回用油圧モータ１９の駆動を補助する。
【００２７】
その後、例えば上部旋回体２がある程度旋回したら（例えばバケット５が土砂運搬用ダンプトラックの荷台に近づいたら）、操作者は右（又は左）旋回動作を停止させるべく操作レバー装置１５の旋回用操作レバー（図示せず）を中立位置に戻す。すると、これに応じてコントローラ１６から旋回用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、旋回用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ１３から旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断される。
【００２８】
このとき、旋回用油圧モータ１７により旋回駆動される上部旋回体２は大型物であって自重が比較的重いことから、旋回運動している上部旋回体２は大きな慣性運動エネルギを持っており、旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断されてもそのまま旋回運動を継続しようとする。これを利用して本実施形態においては、操作量ｘが０（中立位置）近傍の所定範囲内（−ｘ_ｉ≦ｘ≦ｘ_ｉ）となるとコントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって、旋回用油圧モータ１０に併設した電動・発電機１７で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機１７は発電機として作用して逆方向の左旋回方向へのトルク−Ｔ_o（又は右旋回方向へのトルクＴ_o）を発生しつつ発電を行い上記慣性エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回の上部旋回体２の旋回駆動時に再び電動・発電機１７に供給され旋回用油圧モータ１０を補助的に駆動することに用いられる。
【００２９】
以上のようにして、本実施形態によれば、上部旋回体２の旋回減速時・停止時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータ７，８，９，１０，１ｌ，１１Ｒのうちの旋回用油圧モータ１０に電動・発電機１７を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、エンジン１２の作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【００３０】
なお、上記実施形態のように旋回用油圧モータ１０に電動・発電機を併設するのに代え、別のアクチュエータに直結又は間接的に電動・発電機を連結してもよい。以下、そのような変形例を説明する。
【００３１】
（１）ブーム用油圧シリンダに適用した場合
図４は、本変形例のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図５は、本変形例のエネルギ回生装置を油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図であり、図６はブーム用操作レバーの操作量と対応する電動・発電機２１（後述）におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図（ブーム上げ方向へのレバー操作量及びモータトルク発生量を正の値にとって表している）であり、それぞれ上記図１、図２、及び図３に相当する図である。図１及び図２と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３２】
図４及び図５において、この変形例では、ブーム用油圧シリンダ７にブーム３及び駆動力伝達機構（例えばワイヤーロープ）２０を介し間接的に連結され、ブーム用油圧シリンダ７の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機２１を備えている。
【００３３】
上記構成である本変形例においては、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうしてブーム３を上げ動作させるべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を上げ方向に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、ブーム用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のボトム側へ供給されかつロッド側から戻り油が排出されてブーム用油圧シリンダ７が伸長駆動され、ブーム上げ動作を開始する。またこのとき、図６に示すように、操作量ｙ（ブーム上げ方向を正で表す）が所定値ｙ_i以上となると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギが電動・発電機２１に供給されて電動・発電機２１が電動機として作用し図６に示すようにブーム上げ方向のトルクＴ₁を発生し、これによって駆動力伝達機構２０を介しブーム用油圧シリンダ７の伸長駆動を補助する。
【００３４】
その後、例えば積み込みが終了したら、操作者はブーム下げ動作を行うべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を下げ方向に操作する。すると、これに応じてコントローラ１６からブーム用コントロールバルブへ対応する駆動信号が出力され、ブーム用コントロールバルブが切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のロッド側へ供給されかつボトム側から戻り油が排出され、このような油の流通に基づき主としてブーム３の自重の作用によってブーム用油圧シリンダ７が縮短駆動され、ブーム下げ動作が開始される。このとき、ブーム用油圧シリンダ７により駆動されるブーム３は大型物であって自重が比較的重いことから、自重落下するブーム３は大きな位置エネルギを放出している。これを利用して本実施形態においては、図６に示すように、操作量ｙ（ブーム上げ方向を正で表す）が所定値−ｙ_i以下となると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によってブーム用油圧シリンダ７に連結した電動・発電機２１で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機２１は発電機として作用してブーム下げと逆方向のブーム上げ方向へのトルクＴ₁を発生しつつ発電を行い上記位置エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回のブーム３の上げ駆動時に再び電動・発電機２１に供給されブーム用油圧シリンダ７を補助的に駆動することに用いられる。
【００３５】
以上のようにして、本変形例によれば、上記実施形態と同様の原理で、ブーム３の下げ動作時における自重落下時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータ７，８，９，１０，１ｌ，１１Ｒのうちのブーム用油圧シリンダ７に電動・発電機２１を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【００３６】
（２）走行用油圧モータに適用した場合
図７は、本変形例のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図８は、本変形例のエネルギ回生装置を油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図であり、それぞれ上記図又は図４、及び、図２又は図５に相当する図である。図１〜図５と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３７】
図７及び図８において、この変形例では、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒの駆動する駆動輪２４Ｌ，２４Ｒ（図示せず）と履帯１Ａを介し間接的に連結された従動輪２２Ｌ，２２Ｒ（図示せず）に直結された（言い換えれば駆動輪２４Ｌ，２４Ｒ、履帯１Ａ、及び従動輪２２Ｌ，２２Ｒを介し左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒと間接的に連結された）左・右電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒを備えている。
【００３８】
上記構成である本変形例においては、例えば操作者が自力走行を行おうとして油圧ショベルの下部走行体１を走行動作させるべく操作レバー装置１５の走行用操作レバー（図示せず）を前進方向（又は後進方向、かっこ内対応関係同じ）に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、左・右走行用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油が左・右走行用コントロールバルブから左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへ供給されて前進方向（又は後進方向）へ回転駆動され、前進走行（又は後進走行）を開始する。またこのとき、詳細な図示は省略するが、上記実施形態と同様の原理で、その操作レバーの操作量が例えば所定のしきい値を超えると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８Ｌ，１８Ｒの制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギがそれぞれ電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒに供給されて電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒが電動機として作用し前進方向（又は後進方向）のトルクを発生し、これによって従動輪２２Ｌ，２２Ｒ、無限軌道履帯１Ａ、及び駆動輪２４Ｌ，２４Ｒを介し、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒの駆動を補助する。
【００３９】
その後、例えば目的地まで到達したら、操作者は走行停止させるべく操作レバー装置１５の走行用操作レバー（図示せず）を中立位置に戻す。すると、これに応じてコントローラ１６から左・右走行用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、左・右走行用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ１３から左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへの圧油供給が遮断される。
【００４０】
このとき、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒにより駆動される下部走行体１及び上部旋回体２は大型物であって自重が非常に重いことから、走行運動している下部走行体１は大きな慣性運動エネルギを持っており、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへの圧油供給が遮断されてもそのまま走行運動を継続しようとする。これを利用して本実施形態においては、上記実施形態と同様、例えば走行用操作レバーの操作量が０（中立位置）近傍の所定範囲内となるとコントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８Ｌ，１８Ｒの制御によって、左・右従動輪２２Ｌ．２２Ｒに併設した電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒで発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒは発電機として作用して逆方向である後進方向（又は前進方向）へのトルクを発生しつつ発電を行い上記慣性エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回の下部走行体１の自走時に再び電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒに供給され、従動輪２２Ｌ，２２Ｒ、無限軌道履帯１Ａ、駆動輪２４Ｌ，２４Ｒを介して左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒを補助的に駆動することに用いられる。
【００４１】
以上のようにして、本変形例によれば、上記実施形態と同様の原理で、下部走行体１の走行減速時・停止時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その従動輪２２Ｌ，２２Ｒに電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒを併設するとともに電動・発電機制御装置１８Ｌ，１８Ｒ、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【００４２】
本発明の第２の実施形態を図９及び図１０により説明する。
【００４３】
図９は、本実施形態のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図１０は、本実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【００４４】
図９及び図１０において、本実施形態においては、上記した旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒに代えて、旋回用電動機（電動モータ）２５と、左・右走行用電動機（電動モータ）２６Ｌ，２６Ｒとを備えている。
【００４５】
またこの油圧ショベルの油圧駆動装置は、上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用電動機２５と、左・右走行用電動機２６Ｌ，２６Ｒと、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動機２５，２６Ｌ，２６Ｒの制御をそれぞれ行う電動機制御装置（インバータ／コンバータ）２７，２８Ｌ，２８Ｒと、原動機としてのエンジン２９と、このエンジン２９により直接駆動される発電機３０と、発電機３０に接続された蓄電装置３１と、発電機３０を制御して蓄電装置３１に蓄電する発電機制御装置３２と、油圧ポンプ３３と、この油圧ポンプ３３を駆動する電動機３４と（なお油圧ポンプ３３はエンジン２９により駆動されてもよい）、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動機３４の制御を行う電動機制御装置（インバータ／コンバータ）３５と、油圧ポンプ３３より吐出されブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９へそれぞれ供給される圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ、アーム用コントロールバルブ、バケット用コントロールバルブ等を備えたコントロールバルブ装置３６とを備えている。
【００４６】
そして、本実施形態のエネルギ回生装置は、図５を用いて説明した上記（１）の変形例と同様、ブーム用油圧シリンダ７に駆動力伝達機構（例えばワイヤーロープ）２０を介し間接的に連結され、ブーム用油圧シリンダ７の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機２１と、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動・発電機２１の制御を行う電動機制御装置（インバータ／コンバータ）３７とを備えている。
【００４７】
上記構成である本実施形態においては、上記（１）の変形例と同様、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうしてブーム３を上げ動作させるべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を上げ方向に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置３６に出力され、ブーム用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ３３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のボトム側へ供給されかつロッド側から戻り油が排出されてブーム用油圧シリンダ７が伸長駆動され、ブーム上げ動作を開始する。このとき、詳細な図示を省略するが、上記（１）の変形例と同様、例えばブーム用操作レバーの上げ方向への操作量が所定のしきい値を超えると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギが電動・発電機２１に供給されて電動・発電機２１が電動機として作用しブーム上げ方向のトルクを発生し、これによって駆動力伝達機構２０を介しブーム用油圧シリンダ７の伸長駆動を補助する。
【００４８】
その後、例えば積み込みが終了したら、操作者はブーム下げ動作を行うべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を下げ方向に操作する。すると、これに応じてコントローラ１６からブーム用コントロールバルブへ対応する駆動信号が出力され、ブーム用コントロールバルブが切り換えられ、油圧ポンプ３３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のロッド側へ供給されかつボトム側から戻り油が排出され、このような油の流通に基づき主としてブーム３の自重の作用によってブーム用油圧シリンダ７が縮短駆動され、ブーム下げ動作が開始される。本実施形態においては、上記（１）の変形例と同様の原理で、ブーム用操作レバーの操作量がブーム下げ方向に所定のしきい値を超えると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によってブーム用油圧シリンダ７に連結した電動・発電機２１で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機２１は発電機として作用してブーム下げと逆方向のブーム上げ方向へのトルクを発生しつつ発電を行い自重落下時のブーム３の位置エネルギの放出を電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置３１に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置３１に蓄えた電気エネルギは、次回のブーム３の上げ駆動時に再び電動・発電機２１に供給されブーム用油圧シリンダ７を補助的に駆動することに用いられる。
【００４９】
以上のようにして、本変形例によれば、上記（１）の変形例と同様の原理で、ブーム３の下げ動作時における自重落下時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械に備えられた油圧アクチュエータ７，８，９を残し、そのブーム用油圧シリンダ７に電動・発電機２１を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加しているので、例えばすべてのアクチュエータを電動モータとｓるした従来構造に比べれば、実用化が容易である。
【００５０】
なお、以上においては、建設機械の例として油圧ショベルを例にとって説明したが、これに限られず、油圧アクチュエータを備えたものであれば他の建設機械、例えばクローラクレーン、ホイールローダ、ホイールショベル等に対しても適用でき、この場合も同様の効果を得る。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータに電動・発電機を併設するとともに電動・発電機制御手段、蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図３】図２に示した構成において、旋回用操作レバーの操作量と電動・発電機におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図である。
【図４】ブーム用油圧シリンダに適用した本発明の第１の実施形態の変形例の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図５】ブーム用油圧シリンダに適用した本発明の第１の実施形態の変形例のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図６】図５に示した構成において、ブーム用操作レバーの操作量と電動・発電機におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図である。
【図７】走行用油圧モータに適用した本発明の第１の実施形態の変形例の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図８】走行用油圧モータに適用した本発明の第１の実施形態の変形例のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態によるエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【符号の説明】
１下部走行体
１Ａ無限軌道履帯
２上部旋回体
６油圧作業機
７ブーム用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
８アーム用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
９バケット用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
１０旋回用油圧モータ（油圧アクチュエータ）
１１Ｌ，Ｒ左・右走行用油圧モータ（油圧アクチュエータ）
１２エンジン（原動機）
１３油圧ポンプ
１７電動・発電機（第１電動・発電機）
１８電動・発電機制御装置（第１電動・発電機制御手段；電動・発電機制御手段）
１９蓄電装置（第１蓄電手段；蓄電手段）
２１電動・発電機（第２電動・発電機）
３１蓄電装置（第２蓄電手段；蓄電手段）
３７電動・発電機制御装置（第２電動・発電機制御手段；電動・発電機制御手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydraulic construction machine such as a hydraulic excavator or a wheel loader, and more particularly to an energy regeneration device provided in the hydraulic construction machine.
[0002]
[Prior art]
For example, a hydraulic excavator that is one of construction machines includes a lower traveling body, an upper revolving body that is pivotably provided on the lower traveling body, and a boom, arm, and And an articulated front working machine including a bucket.
[0003]
The lower traveling body, the upper swing body, and the front device constitute a driven member of a hydraulic drive device provided in the hydraulic excavator. This hydraulic drive apparatus generally includes a prime mover such as an engine, at least one hydraulic pump driven by the prime mover, and a boom hydraulic cylinder that drives the boom, arm, and bucket by pressure oil discharged from the hydraulic pump. The hydraulic cylinder for the arm, the hydraulic cylinder for the bucket, the traveling hydraulic motor for running the lower traveling body by the pressure oil discharged from the hydraulic pump, and the upper swing body by the pressure oil discharged from the hydraulic pump. A plurality of hydraulic actuators including a turning hydraulic motor for turning the lower traveling body and operating means for operating each of the plurality of hydraulic actuators are provided.
[0004]
Here, among the driven members of the hydraulic hydraulic actuator, for example, the upper revolving body that is swiveled by a swiveling hydraulic motor or the boom that is driven upside down by a boom hydraulic cylinder is a large object, and its own weight is Relatively heavy. Therefore, the upper swinging body that is swiveling has a large inertial kinetic energy, and the boom that falls by its own weight releases a large amount of potential energy. The potential energy of the boom has been discarded as a throttle loss when hydraulic fluid flows in the hydraulic circuit of the hydraulic drive device.
[0005]
Therefore, in order to collect and effectively use this, the prior arts described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-136806 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-343642 have been proposed.
[0006]
In the energy recovery device described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-136806, the pump motor is driven by the oil discharged from the boom hydraulic cylinder or the swing hydraulic motor, and the power generated by driving the generator with this power is stored in the battery. The power of the battery is used for regeneration, so that the inertial kinetic energy at the time of turning and the potential energy at the time of lowering the boom can be collected and used effectively.
[0007]
In the battery-powered work machine described in JP-A-11-343642, by using an electric motor (also as a generator) as a turning actuator and a boom actuator, the inertial kinetic energy during turning and the position when the boom is lowered. Energy is stored in the battery as electric power.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the following problems exist in the above-described conventional technology.
[0009]
In the prior art described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-136806, the recovery efficiency is low because the electric motor is driven by the hydraulic pump motor in order to recover the energy of the pressure oil. Moreover, since it is necessary to separately provide a hydraulic device for energy recovery, the device becomes complicated. In particular, it is difficult to control metering of discharged oil. As a result, practical application is difficult.
[0010]
In the prior art described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-343642, all actuators are electric motors. However, at present, it is difficult to obtain performance equivalent to that of current hydraulic actuators with electric motors. It is practically impossible to make a motor. In particular, if an electric motor is used as a boom drive actuator, a reduction gear is required to obtain a large driving force, resulting in an increase in the size of the drive system. As a result, practical application is difficult.
[0011]
An object of the present invention is to provide an energy regeneration device for a hydraulic construction machine that can recover energy efficiently with a simple and practical configuration.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  (1) In order to achieve the above object, the present invention provides the following:A traveling body, an upper swing body provided on the lower travel body so as to be pivotable, and a turning hydraulic motor that drives the upper swing body to pivot.A plurality of hydraulic actuators, a hydraulic pump for supplying pressure oil to the plurality of hydraulic actuators, and the hydraulic pumpDriveAn energy regeneration device for a hydraulic construction machine provided in a hydraulic construction machine having a moving prime mover, wherein at least one of the plurality of hydraulic actuatorsThe turning hydraulic motorDirectly connected to or indirectly connected through a mechanical mechanism,ThatAuxiliary drive / drivenFirstMotor / generator, andFirstSend and receive electrical energy from motors and generatorsFirstPower storage means, andFirstControl the operation of the motor / generatorFirstWith motor / generator control meansThe first motor / generator control means supplies the electric energy of the first power storage means to the first motor / generator when the operation amount of the turning operation lever becomes a predetermined value or more.・ When the generator is operated as an electric motor and the operation amount of the turning operation lever is within a predetermined range near 0, the first electric motor / generator is operated as a generator and is generated by the first electric motor / generator. Controlling the operation of the first motor / generator so that the stored electrical energy is stored in the first power storage means.RuShall.
[0013]
  In the present invention,FirstBased on the control of the motor / generator control means, at leastRotating hydraulic motorAttached toFirstElectric motor / generatorRotating hydraulic motorAuxiliary driving / driven,FirstTransfers electrical energy to and from the storage means. ThisUpIt was added to the turning hydraulic motor by the inertial kinetic energy during the deceleration of the rotating partFirstPower generation with electric motor / generatorDone and thatElectrical energyFirstIt is possible to store (regenerate) efficiently in the power storage means. When driving the upper revolving unitIn,ThatFirstThe electrical energy stored in the power storage meansFirstSupply hydraulic power to the motor / generatorTIt can be driven auxiliary.
[0014]
  In the present invention, energy recovery can be performed with high efficiency as described above. Based on existing hydraulic construction machines,Rotating hydraulic motorInFirstAlong with an electric generatorFirstElectric / generator control means,FirstSince it can be realized with a simple configuration in which power storage means is added later, it is very easy to put to practical use. Further, when an engine is used as a prime mover, there is an effect that the fuel consumption per work can be improved and the engine exhaust gas amount can be reduced.
[0016]
  (2)the above(1Preferably, the first motor / generator control means regenerates the first electric storage / generator as kinetic energy when the turning hydraulic motor decelerates as electric energy. Control the operation of the machine.
[0017]
  (3In order to achieve the above object, the present invention also includes a lower traveling body, an upper revolving body provided on the lower traveling body so as to be able to swivel, and an upper revolving body connected to the upper revolving body so as to be able to be raised and lowered. An articulated front working machine having a bucket, a plurality of hydraulic actuators including the boom, the arm, a hydraulic cylinder for a boom that respectively drives the bucket, a hydraulic cylinder for the arm, and a hydraulic cylinder for the bucket; In an energy regeneration device of a hydraulic construction machine provided in a hydraulic construction machine including a hydraulic pump that supplies pressure oil to the hydraulic actuator and a prime mover that drives the hydraulic pump, at least the boom hydraulic pressure among the plurality of hydraulic actuators Secondly connected directly to the cylinder or indirectly connected through a mechanical mechanism to perform auxiliary driving and driven thereof. Comprising a dynamic-generator, a second storage means for exchanging said second electric-generator and electric energy, and a second electric-generator control means for controlling the operation of the second electric-generatorThe second motor / generator control means, when the raising direction of the boom operating lever is represented positively, when the operation amount of the boom operating lever becomes a predetermined value or more in the boom raising direction, When the electric energy is supplied to the second electric motor / generator to cause the second electric motor / generator to act as an electric motor and the operation amount of the boom operation lever becomes a predetermined value or less in the boom lowering direction, the second electric motor / generator is operated. -Control the operation of the second electric motor / generator so that the electric power generated by the second electric motor / generator is stored in the second power storage means by acting as a generator.RuShall.
  In the present invention, based on the control of the second electric motor / generator control means, at least the second electric motor / generator provided in the boom hydraulic cylinder performs auxiliary driving / driven operation of the boom hydraulic cylinder, Exchange electric energy with the second power storage means. As a result, when the boom falls, it is possible to generate electric power with the second electric motor / generator provided in the boom hydraulic cylinder with the potential energy and efficiently store (regenerate) the electric energy in the second power storage means. Become. Further, when the boom hydraulic cylinder is driven, the electric energy stored in the second power storage means can be supplied to the second motor / generator to drive the boom hydraulic cylinder in an auxiliary manner.
  In the present invention, energy recovery can be performed with high efficiency as described above. Also, based on the existing hydraulic construction machine, a simple configuration in which the second electric motor / generator is added to the boom hydraulic cylinder and the second electric motor / generator control means and the second power storage means are added later. Therefore, practical application is very easy. Further, when an engine is used as a prime mover, there are effects that the fuel consumption per operation can be improved and the engine exhaust gas amount can be reduced.
[0018]
  (4)the above(3Preferably, the second electric motor / generator control means regenerates the second power storage means as kinetic energy when the boom hydraulic cylinder contracts due to the falling of the boom by its own weight as electric energy. The operation of the second motor / generator is controlled.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0021]
FIG. 1 is a side view showing the entire structure of a hydraulic construction machine (hydraulic excavator in this example) to which the energy regeneration device of this embodiment is applied, and FIG. 2 shows the energy regeneration device of this embodiment as a hydraulic pressure. It is a figure shown with the hydraulic drive device of a construction machine.
[0022]
In FIG. 1, this hydraulic excavator includes a lower traveling body 1 having left and right endless track crawlers 1A as traveling means, an upper revolving body 2 provided on the lower traveling body 1 so as to be able to swivel, and the upper turning body. An articulated hydraulic working machine (front device) 6 comprising a boom 3, an arm 4, and a bucket 5 and a boom 3, an arm 4, a bucket 5, an upper swing body 2, a left A boom hydraulic cylinder 7, an arm hydraulic cylinder 8, a bucket hydraulic cylinder 9, a swing hydraulic motor 10, and left / right traveling hydraulic motors 11 </ b> L and 11 </ b> R that respectively drive the right endless track crawler 1 </ b> A are provided.
[0023]
In FIG. 2, the hydraulic drive device for the hydraulic excavator includes the boom hydraulic cylinder 7, the arm hydraulic cylinder 8, the bucket hydraulic cylinder 9, the turning hydraulic motor 10, and the left and right traveling hydraulic motors 11L and 11R. The engine 12 as a prime mover, the hydraulic pump 13 directly driven by the engine 12, and the boom hydraulic cylinder 7, the arm hydraulic cylinder 8, the bucket hydraulic cylinder 9, and the swing hydraulic pressure discharged from the hydraulic pump 13 Boom control valve, arm control valve, bucket control valve, swivel control valve, left / right traveling control for controlling the flow of pressure oil supplied to the motor 10 and left / right traveling hydraulic motors 11L, 11R, respectively Control valve device 14 equipped with a control valve and the like, and operation A bar 15, the operation signal from the control lever unit 15 to enter, and a controller 16 that generates and outputs a drive signal of the corresponding control valve.
[0024]
The energy regeneration device according to the present embodiment is mechanically coupled directly to the turning hydraulic motor 10, and includes an electric / generator 17 that performs driving assistance or driven (power generation) of the turning hydraulic motor 10, and AC / DC conversion. Electricity / generator control device (inverter / converter) 18 for controlling the electric motor / generator 17 and the exchange of electric energy with the electric motor / generator control device. And a power storage device (battery) 19 for performing the above.
[0025]
Next, operation | movement and an effect of the energy recovery apparatus of this embodiment of the said structure are demonstrated using FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram conceptually showing the relationship between the operation amount of the turning operation lever described above and the motor torque generation amount (generation direction) in the motor / generator 17. The operation amount and the motor torque generation amount are expressed as positive values.
[0026]
In the present embodiment having the above-described configuration, for example, an operator operates a turning operation lever (not shown) of the operation lever device 15 to turn the upper turning body 2 of the excavator to the right in order to perform excavation and loading work. When operated in the right turn direction (or left turn direction, the same correspondence in parentheses), a drive signal corresponding to the operation amount is generated from the controller 16 that has input the operation signal, and is output to the control valve device 14 for turning. The control valve is switched in response to the drive signal, and the pressure oil from the hydraulic pump 13 is supplied from the turning control valve to the turning hydraulic motor 10 and is driven to rotate in the right direction (or left direction). Start. At this time, as shown in FIG. 3, the operation amount x (the right direction is positive) is a predetermined value x._oWhen it is above (or the predetermined value -x_oThe electric energy stored in the power storage device 19 is supplied to the motor / generator 17 under the control of the motor / generator control device 18 based on the signal from the controller 16, and the motor / generator 17 acts as the motor. As shown in FIG. 3, the torque T in the right turn direction_o(Or left turn torque -T_o) To assist in driving the turning hydraulic motor 19.
[0027]
After that, for example, when the upper swing body 2 turns to some extent (for example, when the bucket 5 approaches the loading platform of the earth and sand transport dump truck), the operator performs the turning operation of the operation lever device 15 to stop the right (or left) turning operation. Return the lever (not shown) to the neutral position. In response, the drive signal from the controller 16 to the turning control valve becomes zero, the turning control valve returns to the neutral position, and the pressure oil supply from the hydraulic pump 13 to the turning hydraulic motor 10 is shut off. .
[0028]
At this time, since the upper swing body 2 driven to swing by the swing hydraulic motor 17 is a large object and its own weight is relatively heavy, the upper swing body 2 that is swiveling has a large inertia kinetic energy, Even if the pressure oil supply to the turning hydraulic motor 10 is interrupted, the turning movement is continued. Using this, in the present embodiment, the manipulated variable x is within a predetermined range near 0 (neutral position) (−x_i≦ x ≦ x_i), Electric power is generated by the electric / generator 17 provided in the turning hydraulic motor 10 under the control of the electric / generator control device 18 based on the signal from the controller 16. That is, in this case, the motor / generator 17 acts as a generator, and torque -T in the counterclockwise left turn direction._o(Or torque T in the right turn direction_o) Is generated to convert the inertial energy into electric energy, and this electric energy is efficiently stored (regenerated) in the power storage device 19. The electric energy stored in the power storage device 19 is supplied again to the motor / generator 17 when the upper revolving unit 2 is driven to turn, and is used to drive the turning hydraulic motor 10 as an auxiliary.
[0029]
As described above, according to the present embodiment, energy recovery can be performed with high efficiency when the upper swing body 2 is decelerated and stopped. At this time, according to the configuration of this embodiment, the electric / generator 17 is added to the turning hydraulic motor 10 of the hydraulic actuators 7, 8, 9, 10, 11, 11 R based on the existing hydraulic construction machine. Can be realized with a simple configuration in which the motor / generator control device 18 and the power storage device 19 are added later, so that the practical application is very easy. Furthermore, the fuel consumption per operation of the engine 12 can be improved and the engine exhaust gas amount can be reduced.
[0030]
Instead of providing the electric motor / generator with the turning hydraulic motor 10 as in the above embodiment, the electric motor / generator may be directly or indirectly connected to another actuator. Hereinafter, such modifications will be described.
[0031]
(1) When applied to boom hydraulic cylinders
FIG. 4 is a side view showing the overall structure of a hydraulic construction machine (hydraulic excavator in this example) to which the energy regeneration device of the present modification is applied, and FIG. 5 is a hydraulic construction of the energy regeneration device of the present modification. FIG. 6 is a view showing together with the hydraulic drive device of the machine, and FIG. 6 conceptually shows the relationship between the operation amount of the boom operation lever and the motor torque generation amount (generation direction) in the corresponding motor / generator 21 (described later). It is explanatory drawing (The lever operation amount and boom torque generation amount to a boom raising direction are represented by the positive value), and is a figure respectively equivalent to the said FIG.1, FIG.2, and FIG.3. Parts equivalent to those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
[0032]
  4 and 5, in this modification, the boom hydraulic cylinder 7Boom 3 andAn electric motor / generator 21 is provided which is indirectly connected via a driving force transmission mechanism (for example, a wire rope) 20 and performs driving assistance or driven (power generation) of the boom hydraulic cylinder 7.
[0033]
In this modification having the above-described configuration, for example, when an operator operates a boom operation lever (not shown) of the operation lever device 15 in the raising direction to perform the excavation and loading work and raise the boom 3, A drive signal corresponding to the operation amount is generated from the controller 16 that has input the operation signal and is output to the control valve device 14. The boom control valve is switched in response to the drive signal, and the pressure from the hydraulic pump 13 is changed. Oil is supplied from the boom control valve to the bottom side of the boom hydraulic cylinder 7, and the return oil is discharged from the rod side, the boom hydraulic cylinder 7 is driven to extend, and the boom raising operation is started. At this time, as shown in FIG. 6, the manipulated variable y (the boom raising direction is positive) is a predetermined value y._iIf it becomes above, the electric energy stored in the electrical storage device 19 by the control of the electric motor / generator control device 18 based on the signal from the controller 16 is supplied to the electric motor / generator 21, and the electric motor / generator 21 acts as the electric motor. As shown in FIG. 6, the torque T in the boom raising direction₁Thus, the extension drive of the boom hydraulic cylinder 7 is assisted through the driving force transmission mechanism 20.
[0034]
Thereafter, for example, when loading is completed, the operator operates a boom operation lever (not shown) of the operation lever device 15 in the lowering direction to perform a boom lowering operation. Then, in response to this, a drive signal corresponding to the boom control valve is output from the controller 16, the boom control valve is switched, and the pressure oil from the hydraulic pump 13 is transferred from the boom control valve to the rod of the boom hydraulic cylinder 7. The oil is supplied to the side and the return oil is discharged from the bottom side, and the boom hydraulic cylinder 7 is driven to be shortened mainly by the action of the weight of the boom 3 based on the circulation of the oil, and the boom lowering operation is started. At this time, since the boom 3 driven by the boom hydraulic cylinder 7 is a large object and its own weight is relatively heavy, the boom 3 that falls by its own weight releases large potential energy. Using this, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, the operation amount y (the boom raising direction is positive) is a predetermined value −y._iWhen the following occurs, power is generated by the motor / generator 21 connected to the boom hydraulic cylinder 7 under the control of the motor / generator control device 18 based on the signal from the controller 16. That is, in this case, the motor / generator 21 acts as a generator, and the torque T in the boom raising direction opposite to the boom lowering direction.₁To generate electric power and convert the potential energy into electric energy, and this electric energy is efficiently stored (regenerated) in the power storage device 19. The electric energy stored in the power storage device 19 is supplied again to the motor / generator 21 when the boom 3 is driven to be raised next time, and is used to assistly drive the boom hydraulic cylinder 7.
[0035]
As described above, according to the present modification, energy recovery can be performed with high efficiency at the time of falling of its own weight during the lowering operation of the boom 3 according to the same principle as in the above embodiment. At this time, according to the configuration of the present embodiment, the electric hydraulic / power generator 21 is connected to the boom hydraulic cylinder 7 of the hydraulic actuators 7, 8, 9, 10, 11, 11 R based on the existing hydraulic construction machine. Can be realized with a simple configuration in which the motor / generator control device 18 and the power storage device 19 are added later, so that the practical application is very easy.
[0036]
(2) When applied to a traveling hydraulic motor
FIG. 7 is a side view showing the overall structure of a hydraulic construction machine (hydraulic excavator in this example) to which the energy regeneration device of this modification is applied, and FIG. 8 is a hydraulic construction of the energy regeneration device of this modification. It is a figure shown with the hydraulic drive apparatus of a machine, and is a figure respectively equivalent to the said figure or FIG. 4, and FIG. 2 or FIG. Components equivalent to those in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.
[0037]
7 and 8, in this modification, driven wheels 22L, which are indirectly connected to drive wheels 24L, 24R (not shown) driven by left / right traveling hydraulic motors 11L, 11R via crawler belts 1A. Directly connected to 22R (not shown) (in other words, indirectly connected to the left and right traveling hydraulic motors 11L and 11R via the drive wheels 24L and 24R, the crawler belt 1A, and the driven wheels 22L and 22R) Right motor / generators 23L and 23R are provided.
[0038]
In this modified example having the above-described configuration, for example, the traveling operation lever (not shown) of the operation lever device 15 is moved in the forward direction (in order to move the lower traveling body 1 of the hydraulic excavator so as to travel by itself. When the operation is performed in the reverse direction or the correspondence relationship in parentheses is the same), a drive signal corresponding to the operation amount is generated from the controller 16 that has input the operation signal, and is output to the control valve device 14 to control the left / right travel control valve. Is switched in response to the drive signal, and the hydraulic oil from the hydraulic pump 13 is supplied from the left / right travel control valve to the left / right travel hydraulic motors 11L, 11R and rotated in the forward direction (or the reverse direction). Driven to start forward travel (or reverse travel). At this time, although detailed illustration is omitted, the motor / generator control based on the signal from the controller 16 is performed when the operation amount of the operation lever exceeds a predetermined threshold, for example, based on the same principle as the above embodiment. Electric energy stored in the power storage device 19 by the control of the devices 18L and 18R is supplied to the motor / generators 23L and 23R, respectively, and the motors / generators 23L and 23R act as motors to generate torque in the forward direction (or the reverse direction). Thus, the driving of the left / right traveling hydraulic motors 11L, 11R is assisted through the driven wheels 22L, 22R, the endless track crawler belt 1A, and the driving wheels 24L, 24R.
[0039]
Thereafter, for example, when reaching the destination, the operator returns a traveling operation lever (not shown) of the operation lever device 15 to the neutral position in order to stop traveling. In response, the drive signal from the controller 16 to the left / right travel control valve becomes zero, the left / right travel control valve returns to the neutral position, and the left / right travel hydraulic motor 11L from the hydraulic pump 13 is restored. , 11R is cut off from the pressure oil supply.
[0040]
At this time, the lower traveling body 1 and the upper revolving body 2 driven by the left and right traveling hydraulic motors 11L and 11R are large objects and their own weight is very heavy. It has a large inertial kinetic energy and tries to continue running even if the pressure oil supply to the left and right running hydraulic motors 11L, 11R is cut off. Using this, in this embodiment, as in the above embodiment, for example, when the operation amount of the travel operation lever is within a predetermined range near 0 (neutral position), motor / generator control based on a signal from the controller 16 By controlling the devices 18L and 18R, the left and right driven wheels 22L. Electricity is generated by motors / generators 23L and 23R attached to 22R. That is, in this case, the motor / generators 23L and 23R act as generators to generate power while generating torque in the reverse direction (or forward direction), which is the reverse direction, and convert the inertia energy into electric energy. Electric energy is efficiently stored (regenerated) in the power storage device 19. The electric energy stored in the power storage device 19 is supplied again to the motors / generators 23L and 23R when the lower traveling body 1 is driven next time, and the driven wheels 22L and 22R, the endless track crawler belt 1A, and the driving wheels 24L and 24R are supplied. It is used to drive the left and right traveling hydraulic motors 11L and 11R through the auxiliary.
[0041]
As described above, according to the present modification, energy recovery can be performed with high efficiency when the lower traveling body 1 is decelerated and stopped on the same principle as that of the above embodiment. At this time, according to the configuration of the present embodiment, based on the existing hydraulic construction machine, the driven wheels 22L and 22R are provided with the motor / generators 23L and 23R, and the motor / generator controllers 18L and 18R, Since the power storage device 19 can be realized with a simple configuration that is simply added later, it is very easy to put into practical use.
[0042]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0043]
FIG. 9 is a side view showing the entire structure of a hydraulic construction machine (hydraulic excavator in this example) to which the energy regeneration device of this embodiment is applied, and FIG. 10 shows the energy regeneration device of this embodiment as a hydraulic pressure. It is a figure shown with the hydraulic drive device of a construction machine.
[0044]
9 and 10, in this embodiment, instead of the above-described turning hydraulic motor 10 and left / right traveling hydraulic motors 11L and 11R, a turning electric motor (electric motor) 25 and a left / right traveling motor are used. Electric motors (electric motors) 26L and 26R are provided.
[0045]
The hydraulic drive device of the hydraulic excavator includes the boom hydraulic cylinder 7, the arm hydraulic cylinder 8, the bucket hydraulic cylinder 9, the turning electric motor 25, the left and right traveling electric motors 26L and 26R, and AC / DC conversion. Motor control devices (inverters / converters) 27, 28L, and 28R that respectively control the motors 25, 26L, and 26R with functions and functions for converting voltage, frequency, and the like, an engine 29 as a prime mover, and the engine A generator 30 directly driven by the power generator 29, a power storage device 31 connected to the power generator 30, a power generator control device 32 that controls the power generator 30 and stores the power in the power storage device 31, a hydraulic pump 33, and the hydraulic pressure An electric motor 34 for driving the pump 33 (the hydraulic pump 33 may be driven by the engine 29), an AC / DC conversion function, An electric motor control device (inverter / converter) 35 that has a function of converting pressure, frequency, etc. as necessary, and controls the electric motor 34, and is discharged from the hydraulic pump 33. The boom hydraulic cylinder 7, the arm hydraulic cylinder 8, and the bucket And a control valve device 36 including a boom control valve, an arm control valve, a bucket control valve and the like for controlling the flow of pressure oil respectively supplied to the hydraulic cylinder 9.
[0046]
And the energy regeneration apparatus of this embodiment is indirectly connected to the hydraulic cylinder 7 for booms via the driving force transmission mechanism (for example, wire rope) 20 similarly to the modification of said (1) demonstrated using FIG. The electric motor / generator 21 for assisting driving or driving (power generation) of the boom hydraulic cylinder 7 and the function of converting the AC / DC conversion function, voltage / frequency, etc. as required are provided. An electric motor control device (inverter / converter) 37 that performs control is provided.
[0047]
In the present embodiment having the above-described configuration, for example, as in the modification of the above (1), for example, the operator operates the boom operation lever (see FIG. (Not shown) is operated in the upward direction, a drive signal corresponding to the operation amount is generated from the controller 16 that has input the operation signal and is output to the control valve device 36, and the boom control valve corresponds to the drive signal. The pressure oil from the hydraulic pump 33 is supplied from the boom control valve to the bottom side of the boom hydraulic cylinder 7, the return oil is discharged from the rod side, the boom hydraulic cylinder 7 is driven to extend, and the boom is raised. Start operation. At this time, although not shown in detail, when the amount of operation of the boom operation lever in the raising direction exceeds a predetermined threshold, for example, based on a signal from the controller 16, as in the modification of (1) above. The electric energy stored in the power storage device 19 is supplied to the electric motor / generator 21 by the control of the electric motor / generator control device 18, and the electric motor / generator 21 acts as an electric motor to generate a torque in the boom raising direction. The extension drive of the boom hydraulic cylinder 7 is assisted through the force transmission mechanism 20.
[0048]
Thereafter, for example, when loading is completed, the operator operates a boom operation lever (not shown) of the operation lever device 15 in the lowering direction to perform a boom lowering operation. Then, in response to this, a drive signal corresponding to the boom control valve is output from the controller 16, the boom control valve is switched, and the pressure oil from the hydraulic pump 33 is transferred from the boom control valve to the rod of the boom hydraulic cylinder 7. The oil is supplied to the side and the return oil is discharged from the bottom side, and the boom hydraulic cylinder 7 is driven to be shortened mainly by the action of the weight of the boom 3 based on the circulation of the oil, and the boom lowering operation is started. In the present embodiment, when the operation amount of the boom operation lever exceeds a predetermined threshold value in the boom lowering direction, the electric / power generation based on the signal from the controller 16 is based on the same principle as that of the modified example (1). Electric power is generated by the motor / generator 21 connected to the boom hydraulic cylinder 7 under the control of the machine control device 18. That is, in this case, the motor / generator 21 acts as a generator to generate electric power while generating torque in the direction of raising the boom in the direction opposite to the boom lowering, and the release of the potential energy of the boom 3 when dropping its own weight to electrical energy. This electric energy is efficiently stored in the power storage device 31 (regenerated). The electric energy stored in the power storage device 31 is supplied again to the motor / generator 21 when the boom 3 is driven to be raised next time, and is used to assistly drive the boom hydraulic cylinder 7.
[0049]
As described above, according to the present modification, energy recovery can be performed with high efficiency at the time of falling of its own weight during the lowering operation of the boom 3 based on the same principle as that of the modification (1). At this time, according to the configuration of the present embodiment, the hydraulic actuators 7, 8, 9 provided in the existing hydraulic construction machine are left, the electric motor / generator 21 is added to the boom hydraulic cylinder 7, and Since the generator control device 18 and the power storage device 19 are added later, it is easy to put into practical use as compared with a conventional structure in which all actuators are electric motors.
[0050]
In the above description, a hydraulic excavator has been described as an example of a construction machine. However, the present invention is not limited to this, and other construction machines such as a crawler crane, a wheel loader, a wheel excavator, etc. The same effect can be obtained in this case as well.
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, energy recovery can be performed with high efficiency. In addition, based on existing hydraulic construction machines, it can be realized with a simple configuration by adding an electric / generator to the hydraulic actuator and adding electric / generator control means and power storage means later. Is very easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an overall structure of a hydraulic construction machine to which an energy regeneration device according to a first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram showing an energy regeneration device according to a first embodiment of the present invention together with a hydraulic drive device for a hydraulic construction machine.
3 is an explanatory diagram conceptually showing a relationship between an operation amount of a turning operation lever and a motor torque generation amount (generation direction) in the motor / generator in the configuration shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a side view showing the overall structure of a hydraulic construction machine to which a modification of the first embodiment of the present invention applied to a boom hydraulic cylinder is applied.
FIG. 5 is a diagram showing an energy regeneration device of a modification of the first embodiment of the present invention applied to a boom hydraulic cylinder, together with a hydraulic drive device of a hydraulic construction machine.
6 is an explanatory diagram conceptually showing the relationship between the operation amount of the boom operation lever and the motor torque generation amount (generation direction) in the motor / generator in the configuration shown in FIG. 5;
FIG. 7 is a side view showing the entire structure of a hydraulic construction machine to which a modification of the first embodiment of the present invention applied to a traveling hydraulic motor is applied.
FIG. 8 is a view showing an energy regeneration device of a modification of the first embodiment of the present invention applied to a traveling hydraulic motor, together with a hydraulic drive device of a hydraulic construction machine.
FIG. 9 is a side view showing an overall structure of a hydraulic construction machine to which an energy regeneration device according to a second embodiment of the present invention is applied.
FIG. 10 is a diagram showing an energy regeneration device according to a second embodiment of the present invention together with a hydraulic drive device for a hydraulic construction machine.
[Explanation of symbols]
1 Lower traveling body
1A endless track
2 Upper swing body
6 Hydraulic working machine
7 Boom hydraulic cylinder (hydraulic actuator)
8 Hydraulic cylinder for arm (hydraulic actuator)
9 Bucket hydraulic cylinder (hydraulic actuator)
10 Hydraulic motor for turning (hydraulic actuator)
11L, R Left / right travel hydraulic motor (hydraulic actuator)
12 engine (motor)
13 Hydraulic pump
17 Electric motor / generator (first electric motor / generator)
18. Electric motor / generator control device (first electric motor / generator control means; electric motor / generator control means)
19 Power storage device (first power storage means; power storage means)
21 Electric motor / generator (second electric motor / generator)
31 Power storage device (second power storage means; power storage means)
37 Electric motor / generator control device (second electric motor / generator control means; electric motor / generator control means)

Claims

A lower traveling body, an upper revolving body provided on the lower traveling body so as to be able to swivel, a plurality of hydraulic actuators including a turning hydraulic motor that drives the upper revolving body to swivel, and pressure oil applied to the plurality of hydraulic actuators In an energy regeneration device for a hydraulic construction machine provided in a hydraulic construction machine including a hydraulic pump to be supplied and a prime mover that drives the hydraulic pump,
A first electric motor / generator that is directly connected to at least the turning hydraulic motor among the plurality of hydraulic actuators or indirectly connected via a mechanical mechanism, and performs auxiliary driving / driven thereof;
First power storage means for exchanging electrical energy with the first motor / generator;
First motor / generator control means for controlling the operation of the first motor / generator ,
The first electric motor / generator control means supplies the electric energy of the first power storage means to the first electric motor / generator when the operation amount of the turning operation lever becomes a predetermined value or more. When the generator is operated as an electric motor, and the operation amount of the turning operation lever is within a predetermined range near 0, the first electric motor / generator is operated as a generator and is generated by the first electric motor / generator. energy recovery device for a hydraulic construction machine characterized that you control the operation of the first electric-generator so as to store electrical energy in said first storage means.

2. The energy regeneration device for a hydraulic construction machine according to claim 1 , wherein the first electric motor / generator control means regenerates the first power storage means as kinetic energy when the turning hydraulic motor decelerates as electric energy. And an energy regeneration device for a hydraulic construction machine, wherein the operation of the first motor / generator is controlled.

A lower traveling body, an upper revolving body provided on the lower traveling body so as to be able to swivel, an articulated front working machine coupled to the upper revolving body so as to be able to be raised and lowered, and having a boom, an arm, and a bucket; A boom hydraulic cylinder for driving the boom, the arm, and the bucket, a plurality of hydraulic actuators including an arm hydraulic cylinder and a bucket hydraulic cylinder, a hydraulic pump for supplying pressure oil to the hydraulic actuators, and the hydraulic pressure In an energy regeneration device for a hydraulic construction machine provided in a hydraulic construction machine including a prime mover that drives a pump,
A second electric motor / generator that is directly connected to at least the boom hydraulic cylinder among the plurality of hydraulic actuators or indirectly connected through a mechanical mechanism, and performs auxiliary driving / driven thereof;
Second power storage means for exchanging electrical energy with the second motor / generator;
Second motor / generator control means for controlling the operation of the second motor / generator ,
The second electric motor / generator control means, when the raising direction of the boom operating lever is expressed as positive, and when the operation amount of the boom operating lever becomes a predetermined value or more in the boom raising direction, When energy is supplied to the second electric motor / generator to cause the second electric motor / generator to act as an electric motor and the operation amount of the boom operation lever becomes a predetermined value or less in the boom lowering direction, the second electric motor / generator a generator to act as a generator, hydraulic construction, wherein that you control the operation of the second electric-generator to store in the electric energy generated by the second electric-power generator wherein the second storage means Machine energy regeneration device.

4. The energy recovery device for a hydraulic construction machine according to claim 3 , wherein the second motor / generator control means uses the kinetic energy when the boom hydraulic cylinder contracts as the boom falls by its own weight as the electric energy. (2) An energy regeneration device for a hydraulic construction machine, wherein the operation of the second electric motor / generator is controlled so as to be regenerated by a power storage means.