JP4453411B2 - 作業機械の油圧制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は油圧ショベル等の作業機械の油圧制御装置に関するものである。
たとえば油圧ショベルにおいて、油圧アクチュエータの油圧源として可変容量型の油圧ポンプを用い、操作手段の操作量に応じてこの油圧ポンプの吐出量を制御する構成がとられる。
この場合、ポジコン方式とネガコン方式が知られている。
ポジコン方式では、アクチュエータの作動を制御する油圧パイロット式のコントロールバルブをリモコン弁で操作する構成を前提として、リモコン弁からコントロールバルブに送られるパイロット圧(ポジコン圧)を検出し、このポジコン圧に応じてポンプ吐出量を制御する。
ネガコン方式では、コントロールバルブにブリードオフ通路を設けるとともに、各コントロールバルブのブリードオフ通路をセンターバイパスラインによってタンクに接続する構成を前提として、センターバイパスラインの最下流側に絞りを設け、この絞りによって発生する油圧(絞りの入口圧＝ネガコン圧)を検出し、このネガコン圧に応じてポンプ吐出量を制御する(特許文献１参照)。
この両方式において、ポンプ制御手段は、油圧ポンプの吐出量を制御するポンプレギュレータと、このポンプレギュレータの作動を制御する電磁比例式のレギュレータ制御弁と、このレギュレータ制御弁を制御するコントローラとによって構成される。
そして、上記ポジコン圧またはネガコン圧に応じてコントローラからレギュレータ制御弁に制御信号が送られ、この制御信号に基づくレギュレータ制御弁の二次圧がポンプレギュレータにポンプ制御油圧として送られる。
特開平１１−３０３８０９号公報
ところが、ポンプ制御方式として上記のように電磁比例式のレギュレータ制御弁をコントローラで制御する電子制御方式をとる場合に、電磁比例弁そのものの故障や、コントローラからレギュレータ制御弁に制御信号を送る信号系の断線といった制御系の異常(フェール)が発生すると、レギュレータ制御弁からのポンプ制御油圧がなくなって(または低下して)ポンプ吐出量が最小になり、正常なアクチュエータ動作が不能となる事態が発生していた。
このため、作業機械においては、現場での作業が実際上できなくなることから、油圧ポンプの電子制御方式は現実には採用困難となっていた。
そこで本発明は、油圧ポンプの電子制御方式をとりながら、制御系のフェール時にも作業を継続することができる作業機械の油圧制御装置を提供するものである。
請求項１の発明は、油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの油圧源としての可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプの吐出量を制御するポンプレギュレータと、このポンプレギュレータの作動を制御する電磁比例式のレギュレータ制御弁と、制御手段とを具備し、この制御手段は、操作手段の操作量に応じて上記油圧ポンプの吐出量を変化させる制御信号を上記レギュレータ制御弁に送り、このレギュレータ制御弁は、上記制御信号に基づいてその二次圧を上記ポンプレギュレータにポンプ制御油圧として送るように構成された作業機械の油圧制御装置において、上記ポンプレギュレータとレギュレータ制御弁とを結ぶポンプ制御ラインにフェールセーフ切換弁が設けられ、このフェールセーフ切換弁は、上記レギュレータ制御弁の二次圧を制御油圧として上記ポンプレギュレータに送る通常位置と、レギュレータ制御弁とは別の経路から所定のポンプ吐出量を確保し得る値として設定された油圧をポンプ制御油圧としてポンプレギュレータに送るフェールセーフ位置との間で自動的に切換わる二位置自動切換弁として構成され、かつ、レギュレータ制御弁の作動異常を示す異常信号に基づいて上記通常位置から上記フェールセーフ位置に切換わるように構成されたものである。
請求項２の発明は、請求項１の構成において、フェールセーフ切換弁は、油圧パイロットポートに導入されるパイロット圧と、これに対抗するバネ力とに基づいて切換わり作動する油圧パイロット式の切換弁として構成され、このフェールセーフ切換弁のパイロットポートにレギュレータ制御弁の二次圧が導入され、この二次圧が設定値以下となったことを異常信号としてフェールセーフ切換弁が上記バネ力により通常位置からフェールセーフ位置に切換わるように構成されたものである。
請求項３の発明は、請求項１の構成において、フェールセーフ切換弁として電磁切換弁が用いられる一方、制御手段からレギュレータ制御弁に対する制御信号の出力異常を検出する異常検出部が設けられ、制御手段はこの異常検出部によって異常が検出されたときにフェールセーフ切換弁をフェールセーフ位置に切換えるように構成されたものである。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、補助油圧ポンプが設けられ、この補助油圧ポンプからの油圧が、レギュレータ制御弁に一次圧として供給されるとともに、フェールセーフ切換弁がフェールセーフ位置に切換わった状態でポンプレギュレータにポンプ制御油圧として供給されるように構成されたものである。
請求項５の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、各油圧アクチュエータの作動を個別に制御するコントロールバルブにブリードオフ通路が設けられるとともに、この各コントロールバルブのブリードオフ通路をタンデムにつないでタンクに接続するセンターバイパスラインの最下流側に絞りが設けられ、制御手段は、この絞りによって発生するネガコン圧に応じて油圧ポンプの吐出量を変化させる制御信号をレギュレータ制御弁に送るように構成され、かつ、フェールセーフ切換弁がフェールセーフ位置に切換わった状態で上記ネガコン圧がポンプ制御油圧としてポンプレギュレータに供給されるように構成されたものである。
請求項６の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、制御手段は、操作手段としてのリモコン弁の操作によって発生するポジコン圧に応じて油圧ポンプの吐出量を変化させる制御信号をレギュレータ制御弁に送るように構成され、かつ、フェールセーフ切換弁がフェールセーフ位置に切換わった状態で上記ポジコン圧がポンプ制御油圧としてポンプレギュレータに供給されるように構成されたものである。
請求項７の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、各油圧アクチュエータの作動を個別に制御するコントロールバルブに、同バルブの操作時に閉じるサイドバイパス通路を備えたサイドスプールが設けられるとともに、この各コントロールバルブの上記サイドバイパス通路をタンデムにつないで油圧源及びタンクに接続するサイドバイパスラインが設けられ、フェールセーフ切換弁がフェールセーフ位置に切換わった状態で、上記コントロールバルブの操作によってサイドバイパスラインに発生する油圧がポンプ制御油圧としてポンプレギュレータに供給されるように構成されたものである。
本発明によると、レギュレータ制御弁の作動異常時、すなわちフェール時に、フェールセーフ切換弁(請求項２では油圧パイロット式の切換弁、請求項３では電磁切換弁)が通常位置からフェールセーフ位置に自動的に切換わって、別経路からポンプレギュレータに、所定のポンプ吐出量を確保し得る値として設定された油圧(請求項４では補助油圧ポンプからの油圧、請求項５ではネガコン圧、請求項６ではポジコン圧)がポンプ制御油圧として供給されるため、ポンプレギュレータの作動を保ち、所定のポンプ吐出量(たとえば最大吐出量)を確保して作業を継続することができる。
この場合、請求項２の発明によると、フェール時(レギュレータ制御弁からのポンプ制御油圧が設定値以下になったとき)に、フェールセーフ切換弁がリターンスプリングのバネ力によってフェールセーフ位置に切換わる構成、すなわち、油圧とバネ力によってフェールセーフ切換弁を切換える構成としたから、フェールセーフ切換弁の制御系の故障の心配がなく、動作の信頼性が高い。
請求項４の発明によると、ポンプ制御油圧が正常時とフェール時とで共通の補助油圧ポンプから供給されるため、フェール時用の別圧源を付加する場合と比較して構成が簡単で設備コストも安くてすむ。
また、請求項５,６の発明によると、ポンプ吐出量をネガコン方式またはポジコン方式で制御する場合に、ネガコン圧またはポジコン圧をポンプ制御油圧として利用するため、フェール時もネガコン方式またはポジコン方式によるポンプ吐出量の制御を維持することができる。すなわち、フェール時にも正常時と変わらないポンプ制御及びアクチュエータ制御を継続することができる。
以下の実施形態(図１〜図５)では、三つの油圧アクチュエータ１,２,３を備え、操作手段としてのリモコン弁４,５,６によってコントロールバルブ７,８,９を操作し、主油圧ポンプ１０からの圧油をこのコントロールバルブ７〜９を介して油圧アクチュエータ１〜３に供給する回路構成を例にとっている。
この回路においては、各コントロールバルブ７〜９にブリードオフ制御のためのブリードオフ通路１１…が設けられ、このブリードオフ通路１１…がセンターバイパスライン１２によりタンデムに接続されてタンクＴに連通している。１３はリリーフ弁である。
また、主油圧ポンプ１０の吐出量を制御する手段として、ポンプ傾転を変化させるポンプレギュレータ１４と、このポンプレギュレータ１４にポンプ制御油圧を送る電磁比例式のレギュレータ制御弁１５と、リモコン弁４〜６の操作に基づいてレギュレータ制御弁１５に制御信号を出力するコントローラ(制御手段)１６と、レギュレータ制御弁１５に一次圧を供給する補助油圧ポンプ１７とが設けられている。
第１実施形態(図１参照)
リモコン弁４〜６の操作量は、図示しない圧力センサによって検出され、この操作信号に基づくコントローラ１６からの制御信号によってレギュレータ制御弁１５の二次圧(ポンプ制御油圧)が変化する。
すなわち、リモコン弁４〜６の操作量が大きいほど主油圧ポンプ１０の吐出量が増加するポジコン方式のポンプ制御が行なわれる。
ポンプレギュレータ１４とレギュレータ制御弁１５とを結ぶポンプ制御ライン１８にフェールセーフ切換弁１９が設けられている。
このフェールセーフ切換弁１９は、油圧パイロットポート２０に導入されるパイロット圧と、これに対抗するリターンスプリング１９のバネ力とに基づいて、通常位置イとフェールセーフ位置ロとの間で自動的に切換わり作動する油圧パイロット式の二位置自動切換弁として構成され、このフェールセーフ切換弁１９の通常位置イでレギュレータ制御弁１５の二次圧Ｐ２が、またフェールセーフ位置ロで補助油圧ポンプ１７からの油圧(レギュレータ制御弁１５の一次圧)Ｐ１がそれぞれポンプ制御油圧としてポンプレギュレータ１４に送られる。
ここで、Ｐ１>Ｐ２であり、Ｐ１でポンプ吐出量が最大となるように設定されている。
フェールセーフ切換弁１９の油圧パイロットポート２０にはレギュレータ制御弁１５の二次圧Ｐ２がパイロット圧として導入され、この二次圧Ｐ２が設定値以下(レギュレータ制御弁１５がフェール状態)となったときに、リターンスプリング２１のバネ力がこれを上回ることによりフェールセーフ切換弁１９が通常位置イからフェールセーフ位置ロに切換わるように構成されている。
この構成において、正常時には、リモコン弁４〜６が操作されると、その操作信号に基づいてコントローラ１６からレギュレータ制御弁１５に信号が出力され、同制御弁１５から操作量に応じた二次圧が出力される。
このとき、レギュレータ制御弁１５の二次圧Ｐ２は設定値以上であるため、フェールセーフ切換弁１９はパイロット圧がリターンスプリング２１のバネ力に打ち勝って通常位置イにセットされる。
このため、レギュレータ制御弁１５の二次圧Ｐ２がフェールセーフ切換弁１９を介してポンプレギュレータ１４に送られ、ポジコン方式による通常のポンプ制御が行なわれる。
一方、たとえばコントローラ１６とレギュレータ制御弁１５を結ぶ制御系の断線等の異常が発生し、レギュレータ制御弁１５が制御不能になると、その二次圧Ｐ２が設定値以下に低下するため、フェールセーフ切換弁１９がリターンスプリング２１のバネ力によってフェールセーフ位置ロに切換わる。
従って、補助油圧ポンプ１７からの油圧が、レギュレータ制御弁１５を通らずに(減圧されずに)直接、フェールセーフ切換弁１９経由でポンプレギュレータ１４に送られるため、主油圧ポンプ１０の吐出量が最大に設定・固定される。
これにより、レギュレータ制御弁１５のフェール時にも必要なポンプ吐出量が確保され、作業を継続することができる。
しかも、この第１実施形態によると、油圧とバネ力によってフェールセーフ切換弁１９を切換える構成としたから、フェールセーフ切換弁１９の制御系の故障の心配がなく、動作の信頼性が高いものとなる。
第２実施形態(図２参照)
以下の実施形態においては第１実施形態との相違点のみを説明する。
第２実施形態においては、ポンプ制御ライン１８に、第１実施形態の油圧パイロット切換式のフェールセーフ切換弁１９に代えて、電気信号によって通常位置イとフェールセーフ位置ロとの間で切換わる電磁切換式のフェールセーフ切換弁２２が設けられ、このフェールセーフ切換弁２２がコントローラ２３によって切換制御されるように構成されている。
コントローラ２３には、レギュレータ制御弁１５に対する出力信号系の断線等の異常発生を電圧や電流の減少等に基づいて検出する異常検出部２４が設けられ、この異常検出部２４によって異常発生が検出されたときに、コントローラ２３からフェールセーフ切換弁２２にフェールセーフ位置ロへの切換信号が出力されるように構成されている。
この第２実施形態によっても、レギュレータ制御弁１５のフェール時に、フェールセーフ切換弁２２が通常位置イからフェールセーフ位置ロに切換わることにより、ポンプレギュレータ１４に補助油圧ポンプ１７からの油圧Ｐ１がポンプ制御油圧として供給されて主油圧ポンプ１０の吐出量が最大に設定・固定される。
第３実施形態(図３参照)
第１及び第２両実施形態においては、ポジコン方式のポンプ制御を前提として、レギュレータ制御弁１５のフェール時に、補助油圧ポンプ１７からの油圧Ｐ１をポンプレギュレータ１４に供給する構成をとったのに対し、第３実施形態においては、ネガコン方式によってポンプ吐出量の制御を行なう構成を前提として、レギュレータ制御弁１５のフェール時にネガコン圧Ｐ３をポンプ制御油圧としてポンプレギュレータ１４に供給する構成がとられている。
詳述すると、センターバイパスライン１２の最下流側に絞り２５が設けられ、ブリードオフ流量に応じてこの絞り２５の入口側に発生する圧力(ネガコン圧)Ｐ３が圧力センサ２６で検出されてコントローラ２３に入力される。
コントローラ２３は、ネガコン圧Ｐ３が高いほどアクチュエータ要求流量が少ないとして、ポンプ吐出量を減らす方向の制御信号をレギュレータ制御弁１５に出力する。
なお、補助油圧ポンプ１７をレギュレータ制御弁１５の一次圧源とする点、正常時に同制御弁１５の二次圧Ｐ２がポンプレギュレータ１４に供給される点、及びレギュレータ制御弁１５のフェール発生がコントローラ２３の異常検出部２４によって検出される点は第２実施形態と同じである。
また、ポンプ制御ライン１８に電磁切換式のフェールセーフ切換弁２２を設ける点も第２実施形態と同じであるが、異なる点は、このフェールセーフ切換弁２２がフェールセーフ位置ロに切換わったときに、補助油圧ポンプ１７の油圧Ｐ１ではなく、絞り２５によって発生したネガコン圧Ｐ３が、ネガコン圧取出しライン２７及びフェールセーフ切換弁２２を介してポンプレギュレータ１４に供給される点である。
この構成によると、レギュレータ制御弁１５のフェール時にも、正常時と同じネガコン方式によるポンプ制御が行なわれる。このため、フェール時にも正常時と変わらないアクチュエータ制御が可能となる。
第４実施形態(図４参照)
第４実施形態においては、第１及び第２両実施形態と同様に、各リモコン弁４〜６の操作量をセンサで検出してコントローラ２３に送り、操作量に応じてポンプ吐出量を制御するポジコン方式を前提としている。
このポジコン方式において、レギュレータ制御弁１５のフェール時に、リモコン弁操作量に対応するパイロット圧が多段シャトル弁２８,２９,３０,３１で高位選択され、選択されたパイロット圧(ポジコン圧)Ｐ４がポジコン圧取出しライン３２及びフェールセーフ切換弁２２を介してポンプレギュレータ１４にポンプ制御油圧として供給されるように構成されている。
この構成によっても、第３実施形態と同様に、フェール時にも正常時と同じポジコン方式によるポンプ制御を確保し、正常時と変わらないアクチュエータ動作を継続することができる。
第５実施形態(図５参照)
アクチュエータ制御用のコントロールバルブとして、メインスプールの片側にメインスプールと一体にストローク作動するサイドスプールを設けた切換弁が知られている。
第５実施形態においては、各コントロールバルブ７〜９についてこのサイドスプール３３…を備えた切換弁が用いられている。
各サイドスプール３３…には、リモコン弁４〜６の中立時に開き、操作時に閉じるサイドバイパス通路３４…が設けられ、この各サイドバイパス通路３４…がサイドバイパスライン３５によりタンデムにつながれて補助油圧ポンプ１７とタンクＴに接続されている。
また、サイドバイパスライン３５における補助油圧ポンプ１７の吐出側に、ポンプ圧を立てるための絞り３６が設けられ、この絞り３６の出口側に接続されたポンプ制御油圧ライン３７がフェールセーフ切換弁２２に接続されている。
この構成において、各コントロールバルブ７〜９がいずれも操作されない場合は、サイドスプール３３…のサイドバイパス通路３４…が開き、サイドバイパスライン３５によってタンクＴに連通するため、絞り３６の出口側には圧力は発生しない。
一方、各コントロールバルブ７〜９の少なくとも一つが操作されると、サイドバイパス通路３４が閉じることによって絞り３６の出口側に圧力Ｐ５が発生する。
従って、レギュレータ制御弁１５にフェールが発生し、フェールセーフ切換弁２２がフェールセーフ位置ロに切換わった状態でバルブ操作が行なわれると、上記圧力Ｐ５がフェールセーフ切換弁２２を介してポンプレギュレータ１４にポンプ制御油圧として加えられる。
すなわち、他の実施形態と同様に、フェール時にもポンプレギュレータ１４の作動(必要なポンプ吐出量)を確保することができる。
本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第２実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第３実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第４実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第５実施形態を示す回路構成図である。
１〜３ 油圧アクチュエータ
４〜６ 操作手段としてのリモコン弁
７〜９ コントロールバルブ
１０ 主油圧ポンプ
１１… 各コントロールバルブのブリードオフ通路
１２ センターバイパスライン
１４ ポンプレギュレータ
１５ レギュレータ制御弁
１６ コントローラ(制御手段)
１７ 補助油圧ポンプ
１８ ポンプ制御ライン
１９ 油圧パイロット切換式のフェールセーフ切換弁
２０ フェールセーフ切換弁のパイロットポート
２１ 同、リターンスプリング
２２ 電磁切換式のフェールセーフ切換弁
２３ コントローラ(制御手段)
２４ 異常検出部
２５ 絞り
２６ ネガコン圧を検出する圧力センサ
２７ ネガコン圧取出しライン
２８〜３１ リモコン弁のパイロット圧を高位選択するシャトル弁
３２ ポジコン圧取出しライン
３３… 各コントロールバルブのサイドスプール
３４… サイドスプールのサイドバイパス通路
３５ サイドバイパスライン
３６ サイドバイパスラインに圧力を発生させる絞り
３７ ポンプ制御油圧ライン

Claims (7)

  1. 油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの油圧源としての可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプの吐出量を制御するポンプレギュレータと、このポンプレギュレータの作動を制御する電磁比例式のレギュレータ制御弁と、制御手段とを具備し、この制御手段は、操作手段の操作量に応じて上記油圧ポンプの吐出量を変化させる制御信号を上記レギュレータ制御弁に送り、このレギュレータ制御弁は、上記制御信号に基づいてその二次圧を上記ポンプレギュレータにポンプ制御油圧として送るように構成された作業機械の油圧制御装置において、上記ポンプレギュレータとレギュレータ制御弁とを結ぶポンプ制御ラインにフェールセーフ切換弁が設けられ、このフェールセーフ切換弁は、上記レギュレータ制御弁の二次圧を制御油圧として上記ポンプレギュレータに送る通常位置と、レギュレータ制御弁とは別の経路から所定のポンプ吐出量を確保し得る値として設定された油圧をポンプ制御油圧としてポンプレギュレータに送るフェールセーフ位置との間で自動的に切換わる二位置自動切換弁として構成され、かつ、レギュレータ制御弁の作動異常を示す異常信号に基づいて上記通常位置から上記フェールセーフ位置に切換わるように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
  2. 請求項１記載の作業機械の油圧制御装置において、フェールセーフ切換弁は、油圧パイロットポートに導入されるパイロット圧と、これに対抗するバネ力とに基づいて切換わり作動する油圧パイロット式の切換弁として構成され、このフェールセーフ切換弁のパイロットポートにレギュレータ制御弁の二次圧が導入され、この二次圧が設定値以下となったことを異常信号としてフェールセーフ切換弁が上記バネ力により通常位置からフェールセーフ位置に切換わるように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
  3. 請求項１記載の作業機械の油圧制御装置において、フェールセーフ切換弁として電磁切換弁が用いられる一方、制御手段からレギュレータ制御弁に対する制御信号の出力異常を検出する異常検出部が設けられ、制御手段はこの異常検出部によって異常が検出されたときにフェールセーフ切換弁をフェールセーフ位置に切換えるように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械の油圧制御装置において、補助油圧ポンプが設けられ、この補助油圧ポンプからの油圧が、レギュレータ制御弁に一次圧として供給されるとともに、フェールセーフ切換弁がフェールセーフ位置に切換わった状態でポンプレギュレータにポンプ制御油圧として供給されるように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
  5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械の油圧制御装置において、各油圧アクチュエータの作動を個別に制御するコントロールバルブにブリードオフ通路が設けられるとともに、この各コントロールバルブのブリードオフ通路をタンデムにつないでタンクに接続するセンターバイパスラインの最下流側に絞りが設けられ、制御手段は、この絞りによって発生するネガコン圧に応じて油圧ポンプの吐出量を変化させる制御信号をレギュレータ制御弁に送るように構成され、かつ、フェールセーフ切換弁がフェールセーフ位置に切換わった状態で上記ネガコン圧がポンプ制御油圧としてポンプレギュレータに供給されるように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
  6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械の油圧制御装置において、制御手段は、操作手段としてのリモコン弁の操作によって発生するポジコン圧に応じて油圧ポンプの吐出量を変化させる制御信号をレギュレータ制御弁に送るように構成され、かつ、フェールセーフ切換弁がフェールセーフ位置に切換わった状態で上記ポジコン圧がポンプ制御油圧としてポンプレギュレータに供給されるように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
  7. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械の油圧制御装置において、各油圧アクチュエータの作動を個別に制御するコントロールバルブに、同バルブの操作時に閉じるサイドバイパス通路を備えたサイドスプールが設けられるとともに、この各コントロールバルブの上記サイドバイパス通路をタンデムにつないで油圧源及びタンクに接続するサイドバイパスラインが設けられ、フェールセーフ切換弁がフェールセーフ位置に切換わった状態で、上記コントロールバルブの操作によってサイドバイパスラインに発生する油圧がポンプ制御油圧としてポンプレギュレータに供給されるように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
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