JP4468047B2 - 作業機械の非常時旋回制動装置 - Google Patents

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Description

本発明は電動機によって旋回体を旋回駆動する作業機械において、旋回電動機の駆動系の電源遮断や制御系のダウン等の異常発生に伴う非常時に旋回体を制動する非常時旋回制動装置に関するものである。
ショベルやクレーン等の旋回式作業機械において、旋回駆動源として、これまでの油圧モータに代えて電動機を用いる技術が公知である(特許文献１参照)。
この電動機による旋回駆動方式では、電動機を発電機として作用させ、その回生制動トルクによって旋回体を制動・停止させる構成がとられている。
特開平２００１−２０７４７８号公報
ところが、従来の電動機駆動方式では、発電機の故障その他によって旋回電動機の電源が遮断され、あるいは旋回の制御系がダウンして旋回電動機の制御が不能となるといった異常が発生すると、電動機の発電作用による制動が働かず、油圧方式での中立フリーと同様の、慣性のみが働く状態となってなかなか停止しないという事態が発生する。
一方、ショベルやクレーンには、旋回停止状態で停止保持用のパーキングブレーキとして働くメカニカルブレーキが装備されている。従って、このメカニカルブレーキを非常ブレーキとして作動させることが考えられる。
しかし、メカニカルブレーキは元々、停止保持用として設計されたブレーキ性能しか持たないため、高速旋回中に作動させると、熱容量が不足して破損するおそれがある。なお、メカニカルブレーキに十分な熱容量を持たせるとなると、冷却装置も必要となる等、ブレーキ全体が大形化し、設置スペースやコストの面で実現が困難となる。
そこで本発明は、非常時に速やかに減速・旋回停止させることができ、しかもメカニカルブレーキの破損を防止することができる作業機械の非常時旋回制動装置を提供するものである。
請求項１の発明は、旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、この旋回電動機を機械的に制動するメカニカルブレーキと、この旋回電動機及びメカニカルブレーキの作動を制御する制御手段と、旋回速度を検出する速度検出手段とを具備し、上記旋回電動機として、慣性回転によって発生する電力を電動機外部の制動抵抗で消費させることによって電気ブレーキ作用を行なう永久磁石式電動機が用いられ、上記制御手段は、非常時に上記旋回電動機に電気ブレーキ作用を行なわせ、この電気ブレーキ作用によって旋回体の旋回速度が設定値以下に低下したときに上記速度検出手段からの速度信号に基づいて上記メカニカルブレーキを作動させるように構成され、上記旋回電動機の電気ブレーキ作用による最大トルクが、正常時の電動機最大制動トルクとほぼ同等の値に設定されたものである。
請求項２の発明は、請求項１の構成において、メカニカルブレーキとして、切換弁を介して油圧が導入されたときにブレーキ力を解除する油圧式のネガティブブレーキが用いられ、制御手段は上記切換弁の作動を制御す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または２の構成において、速度検出手段として、旋回電動機の発電作用による電圧または電流と設定値とを比較する比較部を有し、この比較部の比較結果に基づいてメカニカルブレーキを作動させ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または２の構成において、速度検出手段として、旋回電動機またはその減速機構の回転速度を検出する速度センサが用いられたものである。
本発明によると、慣性回転によって発生する電力を外部の制動抵抗で消費させることによって電気ブレーキ機能を発揮する永久磁石式電動機を旋回電動機として用い、非常時にこの旋回電動機の電気ブレーキ作用により旋回体を制動して減速させ、その減速終期(低速になったとき、または停止したとき)にメカニカルブレーキを作動させて停止・停止保持するため、駆動系や制御系の異常時にも旋回体を速やかに旋回停止させることができる。
しかも、メカニカルブレーキはあくまでも減速終期の低速または停止状態で作動させるため、元々機械に装備されたもの(たとえば請求項２のネガティブ式の油圧ブレーキ)をそのまま利用しても破損するおそれがない。あるいは、同ブレーキの性能を高めるにしても、小型のものですみ、大がかりな冷却装置を備えた大形のものとする必要がない。
また、電気ブレーキの最大トルク(最大速度から減速を開始した時点のトルク)を、正常時の電動機最大制動トルクとほぼ同等の値に設定したから、電動機(減速機を含む)に過剰トルクが作用することを避けながら、旋回停止までの時間及び距離(角度)について正常時に近い値を確保することができる。
ところで、電気ブレーキ作用は旋回体の慣性回転速度に依存し、速度低下とともに発電電力(ブレーキ力)も低下する。
請求項３の発明はこの点に着目し、旋回電動機の発電作用による電圧または電流と設定値とを比較部で比較し、この比較結果に基づいてメカニカルブレーキを作動させる構成としたから、別途、メカニカルブレーキの作動タイミングをとるための速度センサを設ける必要がない。このため、コストを安くできるとともに、外部センサと比較して故障や異常が発生する可能性が低くなる。
請求項４の発明によると、速度センサが別途必要になるものの、速度の検出自体を容易に行うことができる。
図１に適用対象となるショベルを示す。
同図において、１はクローラ式の下部走行体で、この下部走行体１上に上部旋回体２が縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に、ブーム３、アーム４、バケット５及びこれらを駆動するブーム用、アーム用、バケット用各油圧シリンダ６,７,８から成る作業(掘削)アタッチメント９が装着される。
図２はこのショベル全体の駆動・制御系のブロック構成を示す。
同図に示すようにエンジン１０によって油圧ポンプ１１が駆動され、その吐出油が各油圧シリンダ６〜８、及び下部走行体１を走行駆動する左右の走行モータＭ１,Ｍ２にコントロールバルブＣＶ(アクチュエータごとに設けられるが、ここでは一つのバルブブロックとして示す)を介して供給される。
また、エンジン１０には増速機構１２を介して発電機１３が連結され、この発電機１３で作られた電力が、電圧及び電流を制御する制御器１４を介してバッテリ１５に蓄えられるとともに、インバータ１６を介して旋回電動機１７に加えられる。
これにより旋回電動機１７が回転し、その回転力が旋回用減速機構１８を介して上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が左または右に旋回する。
１９は旋回操作手段としてのレバー式の旋回操作部(たとえばポテンショメータ)で、正常時には、この旋回操作部１９からの操作信号に基づいてコントローラ２０からインバータ１６に指令が出され、この指令に基づいて旋回電動機１７の加速、減速、停止保持の各制御が行なわれる。
ここで、旋回電動機１７は、旋回加速時にはインバータ制御されて発電機及びバッテリ１５の少なくとも一方の電力で電動機作用を行い、減速時にはインバータ制御されて発電機作用を行い、回生発電によって生じた電力をバッテリ１５に蓄える。
また、旋回電動機１７には、機械的ブレーキ力を発生させるメカニカルブレーキ２１が設けられている。
このメカニカルブレーキ２１は、図３に示すようにブレーキ油圧源２２から電磁切換弁２３を介して油圧が導入されたときにブレーキ力を解除する油圧式のネガティブブレーキとして構成され、このメカニカルブレーキ２１の作動解除状態で旋回動作が行なわれる。
非常時のブレーキ作動を制御するブレーキ回路Ａの構成を図３によって説明する。
旋回電動機１７は、電源遮断状態でも慣性回転によって電力を発生する永久磁石式電動機が用いられ、発生した電力を、電動機外部に設けられた制動抵抗２４に流すことによって電気ブレーキ機能を発揮する。
制動抵抗２４は、旋回電動機１７の給電線に整流回路２５を介して分岐接続され、第１リレー２６の常閉接点２７、または第２リレー２８の常開接点２９のオンで通電される。
３０は旋回電動機１７の発電電圧を検出する電圧検出回路で、同回路３０の出力がトランス３１及び整流回路３２を介して、速度検出手段としての電圧比較回路３３に一方の入力電圧Ｖｉとして送られ、設定値Ｖrefと比較される。
すなわち、制動抵抗２４に流れる電流は、旋回電動機１７(上部旋回体２)の回転速度の低下に比例して低下し、電圧検出回路３０の出力もこれに応じて低下するため、電圧比較回路３３によって旋回速度が設定値以下になったか否かを判定することができる。具体的には、Ｖｉ≧Ｖrefで信号「Ｌ」、Ｖｉ<Ｖrefで信号「Ｈ」が出力される。
電圧比較回路３３の出力側には、ＮＯＴ、ＡＮＤ、ＯＲの各素子３４,３５,３６を備えた出力回路としての論理回路３７が接続され、電圧比較回路３３の出力がＮＯＴ素子３４に入力される。
ＡＮＤ素子３５には、コントローラ２０の異常発生を監視するウォッチドックトランジスタ３８からの出力(正常時に「Ｈ」、異常発生時に「Ｌ」)と、コントローラ２０からメカニカルブレーキ２１に対する作動または作動解除指令を出力するメカニカルブレーキ指令出力トランジスタ３９の出力(作動指令時に「Ｌ」、解除指令時に「Ｈ」)とが入力され、ＮＯＴ素子３４及びこのＡＮＤ素子３５の各出力がＯＲ素子３６に入力される。
このＯＲ素子３６の出力側に増幅回路４０が接続され、ＯＲ素子３６から信号「Ｈ」が出力されたとき(正常時)に、増幅回路４０を介して電磁切換弁２３に作動解除信号が出力される。
これにより、同切換弁２３が図左側のブレーキ作動位置イから右側の作動解除位置ロに切換わってメカニカルブレーキ２１が作動解除される。
表１はメカニカルブレーキ指令出力トランジスタ３９の出力、ウォッチドックトランジスタ３８の出力、電動機速度、メカニカルブレーキ作動の各項目についての論理値表であり、この論理値表に従って次のような動作が行なわれる。
Figure 0004468047
(Ｉ) ウォッチドックトランジスタ３８の出力がコントローラ正常を示す信号「Ｈ」)を出力している場合において、メカニカルブレーキ指令出力トランジスタ３９の出力がメカニカルブレーキ作動解除指令を示す信号「Ｈ」を出力しているときは、電動機速度に関係なくＯＲ出力が「Ｈ」となり、メカニカルブレーキ２１は解除されたままの状態となる。
(ＩＩ) ウォッチドックトランジスタ３８の出力がコントローラ正常を示す信号「Ｈ」を出力し、メカニカルブレーキ指令出力トランジスタ３９の出力がメカニカルブレーキ作動指令を示す信号「Ｌ」を出力している場合において、電動機速度が設定値よりも高い場合にはＯＲ出力が「Ｈ」となってメカニカルブレーキ２１は解除となるが、電動機速度が設定値よりも低い場合にはＯＲ出力は「Ｌ」となり、メカニカルブレーキ２１が作動状態となる。
(ＩＩＩ) コントローラ２０に異常が発生してウォッチドックトランジスタ３８の出力が「Ｌ」となると、メカニカルブレーキ指令出力トランジスタ３９の出力状態に関係なく電動機速度が設定値よりも高い場合にはＯＲ出力は「Ｈ」となり、メカニカルブレーキ２１は解除状態となるが、電動機速度が設定値よりも低い場合にはＯＲ出力は「Ｌ」となり、メカニカルブレーキ２１が作動状態となる。
一方、リレー接点２７は、コントローラ正常でオフ、コントローラ異常でオンとなる。また、リレー接点２９は電動機電源が遮断されたときにコントローラ２０からの信号によってオンとなる。
つまり、
ａ) 制御電源の遮断やコントローラそのものの故障等によってコントローラ２０に異常が発生すると、リレー接点２７がオンとなる。
ｂ) 発電機１３の故障等によって電動機電源が遮断された場合において、コントローラ２０が正常に働いているときは、コントローラ２０がこの電源遮断をたとえば電圧低下により検出して第２リレー２８を作動させ、そのリレー接点２９がオンとなる。
ｃ) 電動機電源が遮断しかつコントローラ２０に異常が発生した場合は、ウォッチドック３８の出力が異常を示すため、リレー接点２７がオンとなる。
これにより、いずれのケースにおいても制動抵抗２４に電流が流れて電気ブレーキが働き、この電気ブレーキによって旋回電動機１７が減速するとともに、電動機速度が設定値以下まで下がるとメカニカルブレーキ２１が作動する。
以上の作用により、非常時に図４に示すように電気ブレーキ作用によって自動的に減速され、かつ、その減速終期にメカニカルブレーキ２１によって旋回電動機１７(上部旋回体２)が停止しかつ停止保持される。
ここで、電気ブレーキのトルクは、制動抵抗２４の値によって決まり、最大速度からの減速開始時に最大で、旋回速度(慣性回転の速度)の低下に従って低下する。
この電気ブレーキの最大トルクは、次の理由により、正常時の電動機最大制動トルクとほぼ同等の値に設定するのが望ましい。
図５は非常制動時における時間と電動機速度の関係、図６は時間と停止までに要する旋回角度の関係をそれぞれ示す。
正常時の電動機最大トルクで制動すると、一定トルク、一定加速度で制動されることにより、図５の直線イ、図６の曲線Ａの特性を示す(効率は無視する)。
一方、電気ブレーキ最大トルクを正常時の電動機最大トルクに一致させると、図５の曲線ロ、図６の曲線Ｂの特性を示し、停止までの所要時間も制動距離(角度)も正常時(イ,Ａ)よりも大きくなる。
そこで、制動距離を正常時のそれと同じになるように図６の曲線Ｃの特性を目標とすると、電気ブレーキ最大トルクは正常時の２倍程度に大きくなる。こうなると、旋回電動機１７及び減速機構１８のトルク負担も２倍となるため、電動機１７の内部抵抗に流れる電流による発熱(電流の２乗に比例)の問題や減速機構１８の強度の問題が発生する。
これに対し、制動時間が正常時と同等となるように図５の曲線ニを目標にすると、電気ブレーキ最大トルクはさらに大きくなるため、実用的でない。
また、電気ブレーキ最大トルクを正常時の電動機最大トルクよりも小さく設定すると、図５の曲線ホとなる。電動機１７の発熱や減速機構１８の強度の問題は生じないが、停止までの時間が非常に長くなり、制動角度も非常に大きくなるため、安全面で問題がある。
以上の点から、非常時の電気ブレーキ最大トルクを正常時の電動機最大トルクと同等の値に設定し、旋回速度が設定値以下になったときにメカニカルブレーキ２１を作動させるのが最も望ましい選択となる。
なお、メカニカルブレーキ２１の作動を開始する電動機速度(旋回速度)は、同ブレーキ２１の熱負荷を小さくしてその破損を防止する(あるいは破損防止のための大形化を極力回避する)観点と、制動時間や制動距離を小さくする観点の兼ね合いを考慮して設定され、通常は図４に示すように旋回速度が十分低速(たとえば５０rａｄ／s程度)となった時点でメカニカルブレーキ２１を作動させる。
あるいは、電気ブレーキによって速度が０またはほぼ０になったときにメカニカルブレーキ２１を作動させるようにしてもよい。この場合は、電気ブレーキが主たる制動作用を行い、メカニカルブレーキ２１は主に停止保持作用を行なうこととなる。
ところで、上記実施形態では電気ブレーキ回路中の電圧検出回路３０によって制動抵抗２４の端子電圧を速度として検出し、検出された電圧を電圧比較回路３３により設定値と比較して旋回速度が設定値以上か以下かを判定し、制御する構成をとったが、制動抵抗２４に流れる電流を検出し、この検出電流値と設定電流値とを比較して旋回速度が設定値以上であるか以下であるかを判定し、上記同様の制御を行なうように構成してもよい。
また、旋回電動機１７もしくは旋回用減速機構１８の回転速度、または上部旋回体２の旋回速度を直接、速度センサによって検出し、コントローラ２０または別の比較部で設定値と比較するように構成してもよい。この場合、速度センサとして、電源がダウンした場合でも作動するもの(たとえばタコジェネレータ)を用いるのが望ましい。
また、メカニカルブレーキ２１は上記実施形態のシリンダ構造のものに限らず、油圧駆動式または電気駆動式のディスクブレーキ等を用いてもよい。
本発明が適用されるショベルの概略側面図である。 本発明の実施形態を示すブロック構成図である。 同実施形態におけるブレーキ回路の回路図である。 電気ブレーキとメカニカルブレーキの作動タイミングを示す図である。 電気ブレーキの最大トルクと制動の時間及び電動機速度との関係を複数通りのパターンで示す図である。 電気ブレーキの最大トルクと制動の時間及び旋回角度との関係を複数通りのパターンで示す図である。
符号の説明
２ 上部旋回体
１７ 旋回電動機
１６ 制御手段を構成するインバータ
２０ 同、コントローラ
２１ 油圧駆動式のネガティブブレーキとしてのメカニカルブレーキ
２３ メカニカルブレーキの作動を制御する電磁切換弁
Ａ 制御手段を構成する電気ブレーキ回路
２４ 制動抵抗
３３ 速度検出手段としての電圧比較回路

Claims (4)

  1. 旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、この旋回電動機を機械的に制動するメカニカルブレーキと、この旋回電動機及びメカニカルブレーキの作動を制御する制御手段と、旋回速度を検出する速度検出手段とを具備し、上記旋回電動機として、慣性回転によって発生する電力を電動機外部の制動抵抗で消費させることによって電気ブレーキ作用を行なう永久磁石式電動機が用いられ、上記制御手段は、非常時に上記旋回電動機に電気ブレーキ作用を行なわせ、この電気ブレーキ作用によって旋回体の旋回速度が設定値以下に低下したときに上記速度検出手段からの速度信号に基づいて上記メカニカルブレーキを作動させるように構成され、上記旋回電動機の電気ブレーキ作用による最大トルクが、正常時の電動機最大制動トルクとほぼ同等の値に設定されたことを特徴とする作業機械の非常時旋回制動装置。
  2. メカニカルブレーキとして、切換弁を介して油圧が導入されたときにブレーキ力を解除する油圧式のネガティブブレーキが用いられ、制御手段は上記切換弁の作動を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の作業機械の非常時旋回制動装置。
  3. 速度検出手段として、旋回電動機の発電作用による電圧または電流と設定値とを比較する比較部を有し、この比較部の比較結果に基づいてメカニカルブレーキを作動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記載の作業機械の非常時旋回制動装置。
  4. 速度検出手段として、旋回電動機またはその減速機構の回転速度を検出する速度センサが用いられたことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械の非常時旋回制動装置。
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