JP4732625B2 - 建設機械の油圧制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧ショベル等の建設機械の油圧制御装置に係わり、特に、アクチュエータ駆動時のエネルギーロスを低減できる建設機械の油圧制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベル等の建設機械は、一般に、油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油により駆動されるアクチュエータと、流量制御弁とを備えている。例えば油圧ショベルの場合、アクチュエータはフロント作業機のブームを駆動するブームシリンダ、アームを駆動するアームシリンダ、バケットを駆動するバケットシリンダ等であり、それぞれのアクチュエータに対して流量制御弁が設けられている。また、流量制御弁はメータイン絞りとメータアウト絞りを有し、メータイン絞りにより油圧ポンプからアクチュエータに供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞りによりアクチュエータからタンクに戻される圧油の流量を制御する。この種の油圧回路は、例えば特開２０００−２２０１６８号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように油圧ショベル等の建設機械にはメータイン絞りとメータアウト絞りを備えた流量制御弁が設けられている。ここで、メータイン絞りと別にメータアウト絞りが設けられるのは、アクチュエータに慣性負荷が作用するときの速度制御と息つぎ現象（キャビテーション）発生防止のためである。
【０００４】
例えば、油圧ショベルのアームシリンダの場合、アームを地面より上、すなわち空中でクラウドするとき、アーム用の流量制御弁は、アームシリンダの戻り油をメータアウト絞りにより制御することでアームシリンダ（アーム）の速度制御をすると共に、アームの自由落下による息つぎ現象（キャビテーション）を防止し、これにより地面より上の作業、たとえば整地作業、土羽打ち作業の操作性を向上させることが可能となっている。
【０００５】
このようにメータアウト絞りはアクチュエータに慣性負荷が作用するときの操作性向上のために必須の機能である。しかし、掘削作業、走行、旋回等、アクチュエータの積極駆動を要する作業では、メータアウト絞りは不要である。例えば、油圧ショベルで掘削作業を行うとき、フロント作業機は地面に接地しているため、上記したようなアームの落下若しくは息つぎ現象は発生しない。したがって、メータアウト側を絞る必要はないばかりでなく、エネルギーロス等の原因となる。逆に、メータアウト側を絞っているため不要な圧損が生じ、エネルギロスを発生させたりシリンダ推力を低下させたりする。なお、バケットクラウド操作等他のアクチュエータの操作においても同様な問題が存在する。
【０００６】
本発明は、アクチュエータに慣性負荷が作用するときの息つぎ現象を防止し、かつ掘削時等、アクチュエータの積極駆動を要する作業でのメータアウト側の圧損を低減しエネルギロスを減少させることのできる建設機械の油圧制御装置を提供することである。
【０００７】
【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、油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧シリンダと、操作指令信号により前記油圧シリンダの動作を制御する流量制御弁とを備え、前記油圧シリンダのボトム室及びロッド室のそれぞれと流量制御弁とは、それぞれのアクチュエータラインによって接続され、前記流量制御弁は、前記油圧ポンプから前記油圧シリンダに供給されるメータイン側の前記アクチュエータラインの圧油の流量を制御するメータイン絞りと、前記油圧シリンダに慣性負荷が作用するときに前記油圧シリンダからタンクに戻されるメータアウト側の前記アクチュエータラインの圧油の流量を制御するメータアウト絞りとを有する建設機械の油圧制御装置において、前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力を検出する第１圧力検出手段と、前記メータアウト側のアクチュエータラインを前記タンクにつなげる分岐ラインに設けられたメータアウト制御弁と、前記第１圧力検出手段により検出した前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力が上昇したときに、前記操作指令信号と前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力とに基づいて、前記メータアウト制御弁を開方向に切り換える切換制御手段とを有し、前記メータアウト制御弁は、前記操作指令信号が上昇するにしたがって開口面積が増大するメータリング特性を有し、かつそのメータリング特性を、同じ指令パイロット圧で、前記メータアウト制御弁の開口面積が前記流量制御弁の前記メータアウト絞りの開口面積より大きくなるように設定したものとする。
【０００８】
このように第１圧力検出手段とメータアウト制御弁と切替制御手段を設け、メータイン側のアクチュエータラインの圧力が上昇したときに、操作指令信号とメータイン側のアクチュエータラインの圧力とに基づいて、メータアウト制御弁を開方向に切り換え、かつメータアウト制御弁の開口面積が流量制御弁のメータアウト絞りの開口面積より大きくなるように設定することにより、アクチュエータに慣性負荷が作用するときはメータアウト制御弁を閉じたままとして流量制御弁のメータアウト絞りを有効とすることで息つぎ現象を防止し、掘削時等、アクチュエータの積極駆動を要する作業ではメータアウト制御弁を開方向に切り換えることでメータアウト側の圧損を低減しエネルギロスを減少させることができる。また、メータアウト側の圧損により上昇していた圧力を低下させることでアクチュエータの駆動力をアップさせることが可能となる。
【００１４】
また、メータアウト制御弁は、操作指令信号が上昇するにしたがって開口面積が増大するメータリング特性を有することにより、メータアウト制御弁の切り替わり時におけるメータアウト側の圧力変動を抑制することができ、良好な操作性を得ることができる。
【００１５】
（２）また、上記（１）において、好ましくは、前記メータアウト制御弁は開方向作動側端部に受圧部を有し、前記切換制御手段は、前記操作指令信号としての指令パイロット圧を前記受圧部に導く信号圧ラインと、この信号圧ラインに配置された切換弁とを有し、前記切換制御手段は、前記第１圧力検出手段により検出した前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力に応じて前記切換弁を切り換え、前記受圧部に前記指令パイロット圧を選択的に導く。
【００１６】
これにより切換制御手段を油圧的に構成することができる。
【００１７】
（３）更に、上記（１）において、好ましくは、前記メータアウト制御弁は開方向作動側端部に受圧部を有し、前記切換制御手段は、前記操作指令信号としての指令パイロット圧を検出する第２圧力検出手段と、前記受圧部に信号圧力を出力する比例電磁弁と、前記第１圧力検出手段及び前記第２圧力検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、前記切換制御手段は、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に前記信号圧力を導く前記作動状況検出手段及び圧力検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に信号圧力を導く。
【００１８】
これにより切換制御手段を電気的に構成することができる。
【００１９】
（４）上記（１）において、前記メータアウト制御弁は開方向作動側端部に受圧部を有し、前記切換制御手段は、前記操作指令信号としての指令パイロット圧を一次圧として前記受圧部に信号圧力を出力する比例電磁弁と、前記第１圧力検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、前記切換制御手段は、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に前記信号圧力を導く前記メータアウト制御弁は、開方向作動側端部に受圧部を有し、前記切換制御手段は、前記アクチュエータの指令パイロット圧を一次圧として前記受圧部に信号圧力を出力する比例電磁弁と、前記作動状況検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に信号圧力を導くものであってもよい。
【００２０】
これにより切換制御手段の一部を油圧的に、他の一部を電気的に構成することができる。
【００２１】
（５）また、上記（１）〜（４）において、前記アクチュエータは油圧ショベルのアームを駆動するアームシリンダ、或いはバケットを駆動するバケットシリンダである。
【００２２】
これによりアームクラウド或いはバケットクラウドの操作において、アクチュエータに慣性負荷が作用するときは息つぎ現象を防止し、掘削時等、アクチュエータの積極駆動を要する作業ではメータアウト側の圧損を低減しエネルギロスを減少させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに係わる油圧回路部分を模式的に示したものである。
【００２５】
図１において、本実施の形態に係わる油圧制御装置は、原動機（エンジン）１と、この原動機１によって駆動される油圧ポンプ２と、油圧ポンプ２の吐出ライン３に接続され、アームシリンダ４に供給される圧油の流れ（流量及び供給方向）を制御するアーム用の流量制御弁３１を有する弁装置５と、アーム用の操作レバー装置６とを備えている。
【００２６】
油圧ポンプ２は可変容量型であり、押しのけ容積可変部材、例えば斜板２ａを有し、斜板２ａは油圧ポンプ２の吐出圧が高くなるに従って傾転（容量）を減らすように馬力制御アクチュエータ２ｂにより制御される。
【００２７】
流量制御弁３１はセンタバイパス型であり、センタバイパス部２１がセンタバイパスライン３２上に位置している。センタバイパスライン３２は上流側を油圧ポンプ２の吐出ライン３に接続され、下流側をタンク３３に接続されている。また、流量制御弁３１はポンプポート３１ａ及びタンクポート３１ｂとアクチュエータポート３１ｃ，３１ｄとを有し、ポンプポート３１ａはセンタバイパスライン３２に接続され、タンクポート３１ｂはタンク３３に接続され、アクチュエータポート３１ｃ，３１ｄはアクチュエータライン３４，３５を介してアームシリンダ４のボトム側とロッド側に接続されている。
【００２８】
操作レバー装置６は操作レバー３６と１対の減圧弁（図示せず）を内蔵した指令パイロット圧発生部３７とを有し、指令パイロット圧発生部３７はパイロットライン３８，３９を介して流量制御弁３１のパイロット圧受圧部３１ｅ，３１ｆに接続されている。操作レバー３６が操作されると指令パイロット圧発生部３７はその操作方向に応じて１対の減圧弁の一方を作動させ、その操作量に応じた指令パイロット圧をパイロットライン３８，３９の一方に出力する。
【００２９】
ここで、流量制御弁３１は、中立位置Ａと切換位置Ｂ，Ｃを有し、パイロットライン３８より受圧部３１ｅに指令パイロット圧が与えられると図示左側の位置Ｂに切り換えられ、アクチュエータライン３４がメータイン側、アクチュエータライン３５がメータアウト側となり、アームシリンダ４のボトム側に圧油が供給されてアームシリンダ４が伸長し、パイロットライン３９より受圧部３１ｆに指令パイロット圧が与えられると図示右側の位置Ｃに切り換えられ、アクチュエータライン３５がメータイン側、アクチュエータライン３４がメータアウト側となり、アームシリンダ４のロッド側に圧油が供給されてアームシリンダ４が収縮する。アームシリンダ４の伸長はアームクラウド動作に対応し、アームシリンダ４の収縮はアームダンプ動作に対応する。つまり、パイロットライン３８、受圧部３１ｅ及びその指令パイロット圧はアームクラウド指令側となり、アクチュエータライン３４はアームクラウド指令時のメータイン側のアクチュエータラインとなり、アクチュエータライン３５はアームクラウド指令時のメータアウト側のアクチュエータラインとなる。
【００３０】
また、流量制御弁３１はメータイン絞り２２ａ，２２ｂとメータアウト絞り２３ａ，２３ｂとを有し、流量制御弁３１が切換位置Ｂにあるときはメータイン絞り２２ａによりアームシリンダ４に供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞り２３ａによりアームシリンダ４からの戻り油の流量を制御し、流量制御弁３１が切換位置Ｃにあるときはメータイン絞り２２ｂによりアームシリンダ４に供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞り２３ｂによりアームシリンダ４からの戻り油の流量を制御する。
【００３１】
そして、本実施の形態のアーム用の弁装置５は、その特徴的構成として、メータアウト制御弁４２と、メータアウト制御弁４２を切り換え制御する切換弁４３とを有し、メータアウト制御弁４２は、アームクラウド指令時のメータアウト側のアクチュエータライン３５から分岐しタンク３３に至るメータアウト分岐ライン４１に配置されている。
【００３２】
メータアウト制御弁４２は２ポート２位置弁であり、弁体両端に閉方向作動のバネ４２ａと開方向作動の受圧部４２ｂとを有し、受圧部４２ｂは信号圧ライン４４を介してアームクラウド指令側のパイロットライン３８に接続されている。切換弁４３は信号圧ライン４４に配置された開閉弁であり、弁体両端に閉方向作動のバネ４３ａと開方向作動の受圧部４３ｂとを有し、受圧部４３ｂは信号圧ライン４５を介してアームクラウド指令時のメータイン側のアクチュエータライン３４に接続されている。つまり、切換弁４３の受圧部４３ｂにはアームシリンダ４のボトム側の圧力が導かれ、その圧力が高圧になり、切換弁４３が開位置に切り換えられると、メータアウト制御弁４２の受圧部４２ｂに流量制御弁４１の受圧部３１ｅに導かれたのと同じアームクラウド指令のパイロット圧が導かれ、開方向に切り換えられる。
【００３３】
メータアウト制御弁４２のメータリング特性を図２に示す。図中、実線Ａがメータアウト制御弁４２にアームクラウド指令パイロット圧が与えられたときのメータリング特性であり、波線Ｂがアーム用の流量制御弁３１にアームクラウド指令パイロット圧が与えられたときのメータアウト絞り２３ａのメータリング特性である。メータアウト制御弁４２のメータリング特性、つまりストローク（アームクラウド指令パイロット圧）と開口面積との関係は、ストロークが増大するに従って開口面積が増大し、かつ流量制御弁３１と比較し同じアームクラウド指令パイロット圧では流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａの開口面積より大きくなるように設定されている。
【００３４】
図３に油圧制御装置が搭載される油圧ショベルの外観を示す。油圧ショベルは、走行体１００、旋回体１０１、フロント作業機１０２を有し、走行体１００は左右の走行モータ５０ａ，５０ｂ（一方のみ図示）により左右のクローラ１００ａ、１００ｂ（一方のみ図示）を駆動することにより走行し、旋回体１０１は旋回モータ５１により走行体１００上で旋回する。また、フロント作業機１０２はブーム１０３、アーム１０４、バケット１０５からなる多関節構造であり、それぞれ、ブームシリンダ１０６、アームシリンダ４、バケットシリンダ１０７により垂直面内で回転駆動される。
【００３５】
本実施の形態に関わる油圧制御装置は、図１に示したアーム用の弁装置５の他、左右の走行モータ５０ａ，５０ｂ、旋回モータ５１、ブームシリンダ１０６、バケットシリンダ１０７に対する弁装置（図示せず）を備えている。これら弁装置を備えた全体の油圧回路については、例えば前述した特開２０００−２２０１６８号公報の図１に示されている。
【００３６】
次に、本実施の形態の動作を従来例と比較して説明する。
【００３７】
図４は従来の油圧制御装置の図１と同様なアームシリンダに係わる油圧回路部分を示す図である。従来の油圧制御装置では、アーム用の弁装置１５０にメータアウト制御弁４２や切換弁４３が設けられていない。
【００３８】
今、従来の油圧制御装置において、図５に示すようにアーム１０４を地面より上、すなわち空中でクラウドするため、アーム用の流量制御弁３１を図４のＢ位置に切り換えたとする。このとき、流量制御弁３１は、アームシリンダ４の戻り油をメータアウト絞り２３ａにより制御することでアームシリンダ４（アーム１０４）の速度制御をすると共に、アーム１０４の自由落下による息つぎ現象（キャビテーション）を防止している。つまり、アームクラウドのメータアウト側をを絞ることでアームシリンダ４のロッド側の圧力を上昇させ、アームの自重によるボトム側の圧力に抗する力を発生させている。これにより地面より上の作業、たとえば整地作業、土羽打ち作業の操作性を向上させることが可能となっている。
【００３９】
しかしながら、アームシリンダ４の積極駆動を要する作業、例えば図６で示すような掘削作業では、フロント作業機１０４は地面に接地しているため、先に述べたようなアーム１０４の落下若しくは息つぎ現象は発生しない。したがって、メータアウト側を上記のように絞る必要はない。逆に、メータアウト側を絞っているため不要な圧損が生じ、エネルギロスを発生させたりシリンダ推力を低下させたりする。なお、バケットクラウド操作においても同様な問題が存在する。
【００４０】
図７及び図８にエネルギーロス及びシリンダ推力の低下についての計算結果を示す。
【００４１】
図７（ａ）はポンプ吐出圧力を変えた場合のアームシリンダ４に対する入力エネルギーと流量制御弁３１のアームクラウドのメータアウト絞り２３ａによる圧損エネルギーの計算結果であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の計算結果を損失エネルギー比（％）に置き換えたものである。ここで、損失エネルギー比（％）＝（圧損エネルギー／入力エネルギー）×１００（％）である。これらの図から分かるように、油圧ポンプ１の吐出流量はアクチュエータ２ｂの馬力制御によりポンプ吐出圧力の低い領域で多いため、特にポンプ吐出圧力の低い領域でメータアウト絞り２３ａによる圧損エネルギーが大きく、損失エネルギー比が高くなる。
【００４２】
図８（ａ）はポンプ吐出圧力を変えた場合のアームシリンダ４のみかけの推力と実推力の計算結果であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の計算結果を損失推力比に置き換えたものである。ここで、アームシリンダ４のみかけの推力とはメータアウト側の圧力を０とした場合の推力であり、実推力とは流量制御弁３１のアームクラウドのメータアウト絞り２３ａによる実際の圧力に基づき計算した推力である。また、損失推力比（％）＝（（みかけの推力−実推力）／みかけの推力）×１００（％）である。これらの図から分かるように、油圧ポンプ１の吐出流量はアクチュエータ２ｂの馬力制御により特にポンプ吐出圧力の低い領域で多いため、特にポンプ吐出圧力の低い領域でメータアウト絞り２３ａによる実推力の低下が大きく、損失推力比が高くなる。
【００４３】
以上のような従来技術に対し、上記のように構成した本実施の形態では、フロント作業機１０２を空中で動かす場合、即ち図５に示すように空中でアームクラウドする場合は、アームシリンダ４のボトム側の圧力は高くないため、その圧力が信号圧として切換弁４３の受圧部４３ｂに導かれても切換弁４３は作動しない。このためメータアウト制御弁４２も作動せず、図示の閉位置に保持される。即ち、従来技術と同様、流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａが働き、アーム１０４の自由落下による息つぎ現象（キャビテーション）が防止される。
【００４４】
次に、図５に示すような状態から図６に示すような掘削状態になったとする。このとき、アームシリンダ４のボトム側の圧力が上昇しこの圧力が信号圧として切換弁４３の受圧部４３ｂに導かれるため、切換弁４３は図示の閉位置から開位置に切り換えられる。これによりメータアウト制御弁４２の受圧部４２ｂにはアームクラウド指令パイロット圧が導かれ、メータアウト制御弁４２はその指令パイロット圧に応じたストローク位置に切り替わる。メータアウト制御弁４２のメータリング特性は上述したように、流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａと比較し同じアームクラウド指令パイロット圧では流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａの開口面積より大きくなるように設定されている。このため、例えばアームクラウド指令パイロット圧が図２のストロークＸ１相当であるとすると、アームシリンダ４のロッド側からの戻り油の大部分は流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａではなくメータアウト制御弁４２を通ることになり、これによりメータアウトの圧損を低減することが可能となる。
【００４５】
従って、本実施の形態によれば、掘削時（アームクラウド操作時）のメータアウト側の圧損を低下させエネルギロスを減少させることができる。また、メータアウト側の圧損により上昇していたアームシリンダ４のロッド側の圧力を低下させることでアームシリンダ４の推力をアップさせることが可能となる。
【００４６】
また、本実施の形態では、メータアウト制御弁４２に図２に示したようなメータリング特性を持たせたので、メータアウト制御弁４２が図示の閉位置から開方向に切り替わるときの戻り油の急激な圧力上昇など、メータアウト制御弁４２の切り替わり時の戻り油の圧力変動を抑制し、良好な操作性を得ることができる。
【００４７】
なお、上記の実施の形態では、切換弁４３は開閉弁としたが、この切換弁４３にもメータリング特性を持たせてもよく、この場合はアームシリンダ４のボトム側の圧力変動による切換弁４３の切り替わりに際して、メータリング制御弁４２の受圧部４２ｂにオン・オフ的にアームクラウド指令パイロット圧が作用することによるメータリング制御弁４２のオン・オフ的な切り替わりが防止されるため、戻り油の圧力変動を更に効果的に抑制し、一層良好な操作性を得ることができる。
【００４８】
本発明の第２の実施の形態を図９及び図１０により説明する。図９中、図１に示した部材と同等のものには同じ符号を付している。本実施の形態は、メータアウト制御弁を電気的に制御するものである。
【００４９】
図９において、流量制御弁３１を有するアーム用の弁装置５Ａは、図１の弁装置５にあった切換弁４３を備えていない。その代わりに、本実施の形態に係わる油圧制御装置は、アームクラウド指令側のパイロットライン３８に設けられ、アームクラウド指令パイロット圧を検出する圧力センサ５１と、アームクラウド指令時のメータイン側のアクチュエータライン３４に設けられ、アームシリンダ４のボトム側の圧力を検出する圧力センサ５２と、コントローラ５３と、比例電磁弁５４とを有し、圧力センサ５１，５２の検出信号がコントローラ５３に入力され、コントローラ５３から比例電磁弁５４に指令電流が出力される。比例電磁弁５４の二次側（出力側）は信号圧ライン５５を介してメータアウト制御弁４３の受圧部４２ｂに接続され、比例電磁弁５４の二次圧が信号圧力として受圧部４３ｂに与えられる。比例電磁弁５４の一次側は公知の如くパイロット油圧源５６に接続されている。
【００５０】
図１０にコントローラ５３の処理機能を機能ブロック図で示す。コントローラ５３は、ソレノイド電流演算部５３ａ、制御係数演算部５３ｂ、乗算部５３ｃを有している。ソレノイド電流演算部５３ａは、図示するようなテーブルを用いて、アームクラウド指令パイロット圧に応じたソレノイド電流値を演算する。制御係数演算部５３ｂは、図示するようなテーブルを用いて、アームシリンダ４のボトム側の圧力に応じた制御係数ｋを演算する。ソレノイド電流演算部５３ａのテーブルには、アームクラウド指令パイロット圧が増大するに従ってソレノイド電流も増大するように両者の関係が設定されている。このテーブルを用いて演算されたソレノイド電流値は第１の実施の形態に係わる図１の信号圧ライン４４に導かれるアームクラウド指令パイロット圧に相当する。制御係数演算部５３ｂのテーブルには、アームシリンダ４のボトム側の圧力が上昇するに従って制御係数ｋが０から１へとある傾き（比例特性）をもって増大するよう両者の関係が設定されている。その傾きは、第１の実施の形態に係わる図２に示した切換弁４３にメータリング特性を持たせたことと等価である。演算部５３ａで演算されたソレノイド電流値と演算部５３ｂで演算された制御係数ｋは乗算部５３ｃで掛け合わされ、目標ソレノイド電流値が求められる。この目標ソレノイド電流値は比例電磁弁５４に指令電流として出力される。
【００５１】
以上のように構成した本実施の形態にあっても、アーム１０４の空中でのクラウド時及びアームクラウドによる掘削時に第１の実施の形態と同様の作用が得られ、掘削時（アームクラウド操作時）のメータアウト側の圧損を低下させエネルギロスを減少させることができ、かつメータアウト側の圧損により上昇していたアームシリンダ４のロッド側の圧力を低下させることでアームシリンダ４の推力をアップさせることが可能となる。
【００５２】
また、本実施の形態では、制御係数演算部５３ｂに比例特性を持たせ、第１の実施の形態に係わる図２に示した切換弁４３にメータリング特性を持たせたことと等価な構成としたので、アームシリンダ４のボトム側の圧力変動時に比例電磁弁の出力（信号圧ライン５５の信号圧力）がオン・オフ的に変化することによるメータアウト制御弁４２のオン・オフ的な切り替わりが抑制されるため、戻り油の圧力変動を更に効果的に抑制し、一層良好な操作性を得ることができる。
【００５３】
本発明の第３の実施の形態を図１１により説明する。図中、図１及び図９に示した部材と同等のものには同じ符号を付している。本実施の形態は、メータアウト制御弁を電気的に制御する他の例を示すものである。
【００５４】
図１１において、本実施の形態に係わる油圧制御装置は、図９の第２の実施の形態と同様のアーム用の弁装置５Ａを備えているが、第２の実施の形態にあったアームクラウド指令パイロット圧を検出する圧力センサは備えていない。その代わりに、比例電磁弁５４の一次側は信号圧ライン４４Ａを介してアームクラウド指令側のパイロットライン３８に接続されている。つまり、本実施の形態では、パイロットライン３８のアームクラウド指令パイロット圧を比例電磁弁５４の油圧源として用いるものである。これは、第２の実施の形態に係わる図１０のソレノイド電流演算部５３ａ及び乗算部５３ｃの構成を油圧的に構成したことと等価である。
【００５５】
コントローラ５３Ａは、図１２に示すようなソレノイド電流演算部５３ｄを有し、図示するようなテーブルを用いて、アームシリンダ４のボトム側の圧力に応じた目標ソレノイド電流値を演算する。ソレノイド電流演算部５３ｄのテーブルに設定されたアームシリンダ４のボトム側の圧力と目標ソレノイド電流との関係は、図１０に示した制御係数演算部５３ｂのアームシリンダ４のボトム側の圧力と制御係数ｋとの関係と同等であり、アームシリンダ４のボトム側の圧力が上昇するに従って目標ソレノイド電流が０から最大値へとある傾き（比例特性）をもって増大するよう両者の関係が設定されている。
【００５６】
本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られると共に、ソレノイド電流演算部５３に比例特性を持たせることで、第１の実施の形態に係わる図２に示した切換弁４３にメータリング特性を持たせたことと等価な構成が得られるので、アームシリンダ４のボトム側の圧力変動時に比例電磁弁の出力（信号圧ライン５５の信号圧力）がオン・オフ的に変化することによるメータアウト制御弁４２がのン・オフ的な切り替わりが抑制されるため、戻り油の圧力変動を更に効果的に抑制し、一層良好な操作性を得ることができる。
【００５７】
なお、上記の実施の形態は、本発明を油圧ショベルのアームシリンダの弁装置に適用した場合のものであるが、上記のようにバケットクラウド操作においても同様の問題があり、本発明をバケットシリンダの弁装置に適用してもよい。この場合、例えば図１に示す油圧回路でアームシリンダがバケットシリンダに置き換え、アーム用の流量制御弁がバケット用の流量制御弁に置き換え、アーム用の操作レバー装置がバケット用の操作レバー装置に置き換えればよい。また、本発明は、同じアクチュエータで慣性負荷が作用する作業と積極駆動を要する作業を行うものであれば、油圧ショベルのアームシリンダやバケットシリンダ以外のアクチュエータ或いは油圧ショベル以外の建設機械、例えばホイールローダ、クレーン等のアクチュエータの弁装置にも同様に適用可能である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、次の効果が得られる。
【００５９】
（１）アクチュエータに慣性負荷が作用するときは息つぎ現象を防止することができ、掘削時等、アクチュエータの積極駆動を要する作業ではメータアウト側の圧損を低減しエネルギロスを減少させることができる。
【００６０】
（２）メータアウト側の圧損により上昇していた圧力を低下させることでアクチュエータの駆動力をアップさせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる建設機械の油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに係わる油圧回路部分を模式的に示す図である。
【図２】メータアウト制御弁４２のメータリング特性を示す図である。
【図３】油圧制御装置が搭載される油圧ショベルの外観を示す図である。
【図４】従来の油圧制御装置の図１と同様なアームシリンダに係わる油圧回路部分を示す図である。
【図５】油圧ショベルのアームを空中でクラウドする動作を示す図である。
【図６】油圧ショベルのアームクラウドによる掘削作業を示す図である。
【図７】（ａ）はポンプ吐出圧力を変えた場合のアームシリンダに対する入力エネルギーと流量制御弁のアームクラウドのメータアウト側絞りによる圧損エネルギーの計算結果を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の計算結果を損失エネルギー比（％）に置き換えた図である。
【図８】（ａ）はポンプ吐出圧力を変えた場合のアームシリンダのみかけの推力と実推力の計算結果を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の計算結果を損失推力比に置き換えた図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係わる建設機械の油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに係わる油圧回路部分を模式的に示す図である。
【図１０】第２の実施の形態に係わるコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係わる建設機械の油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに係わる油圧回路部分を模式的に示す図である。
【図１２】第３の実施の形態に係わるコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１ 原動機（エンジン）
２ 油圧ポンプ
２ａ 押しのけ容積可変部材（斜板）
２ｂ 馬力制御アクチュエータ
３ 吐出ライン
４ アームシリンダ
５，５Ａ 弁装置
６ 操作レバー装置
２１ センタバイパス部
２２ａ，２２ｂ メータイン絞り
２３ａ，２３ｂ メータアウト絞り
３１ 流量制御弁
３１ｅ，３１ｆ 受圧部
３２ センタバイパスライン
３３ タンク
３４，３５ アクチュエータライン
３６ 操作レバー
３７ 指令パイロット圧発生部
３８，３９ パイロットライン
４１ 分岐ライン
４２ メータアウト制御弁
４２ｂ 受圧部
４３ 切換弁
４３ｂ 受圧部
４４，４４Ａ 信号圧ライン
５１，５２ 圧力センサ
５３ コントローラ
５３ａ ソレノイド電流演算部
５３ｂ 制御係数演算部
５３ｃ 乗算部
５３ｄ ソレノイド電流演算部
５４ 比例電磁弁
５５ 信号圧ライン
１００ 走行体
１０１ 旋回体
１０２ フロント作業機
１０３ ブーム
１０４ アーム
１０５ バケット
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧ショベル等の建設機械の油圧制御装置に係わり、特に、アクチュエータ駆動時のエネルギーロスを低減できる建設機械の油圧制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベル等の建設機械は、一般に、油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油により駆動されるアクチュエータと、流量制御弁とを備えている。例えば油圧ショベルの場合、アクチュエータはフロント作業機のブームを駆動するブームシリンダ、アームを駆動するアームシリンダ、バケットを駆動するバケットシリンダ等であり、それぞれのアクチュエータに対して流量制御弁が設けられている。また、流量制御弁はメータイン絞りとメータアウト絞りを有し、メータイン絞りにより油圧ポンプからアクチュエータに供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞りによりアクチュエータからタンクに戻される圧油の流量を制御する。この種の油圧回路は、例えば特開２０００−２２０１６８号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように油圧ショベル等の建設機械にはメータイン絞りとメータアウト絞りを備えた流量制御弁が設けられている。ここで、メータイン絞りと別にメータアウト絞りが設けられるのは、アクチュエータに慣性負荷が作用するときの速度制御と息つぎ現象（キャビテーション）発生防止のためである。
【０００４】
例えば、油圧ショベルのアームシリンダの場合、アームを地面より上、すなわち空中でクラウドするとき、アーム用の流量制御弁は、アームシリンダの戻り油をメータアウト絞りにより制御することでアームシリンダ（アーム）の速度制御をすると共に、アームの自由落下による息つぎ現象（キャビテーション）を防止し、これにより地面より上の作業、たとえば整地作業、土羽打ち作業の操作性を向上させることが可能となっている。
【０００５】
このようにメータアウト絞りはアクチュエータに慣性負荷が作用するときの操作性向上のために必須の機能である。しかし、掘削作業、走行、旋回等、アクチュエータの積極駆動を要する作業では、メータアウト絞りは不要である。例えば、油圧ショベルで掘削作業を行うとき、フロント作業機は地面に接地しているため、上記したようなアームの落下若しくは息つぎ現象は発生しない。したがって、メータアウト側を絞る必要はないばかりでなく、エネルギーロス等の原因となる。逆に、メータアウト側を絞っているため不要な圧損が生じ、エネルギロスを発生させたりシリンダ推力を低下させたりする。なお、バケットクラウド操作等他のアクチュエータの操作においても同様な問題が存在する。
【０００６】
本発明は、アクチュエータに慣性負荷が作用するときの息つぎ現象を防止し、かつ掘削時等、アクチュエータの積極駆動を要する作業でのメータアウト側の圧損を低減しエネルギロスを減少させることのできる建設機械の油圧制御装置を提供することである。
【０００７】
【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、油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧シリンダと、操作指令信号により前記油圧シリンダの動作を制御する流量制御弁とを備え、前記油圧シリンダのボトム室及びロッド室のそれぞれと流量制御弁とは、それぞれのアクチュエータラインによって接続され、前記流量制御弁は、前記油圧ポンプから前記油圧シリンダに供給されるメータイン側の前記アクチュエータラインの圧油の流量を制御するメータイン絞りと、前記油圧シリンダに慣性負荷が作用するときに前記油圧シリンダからタンクに戻されるメータアウト側の前記アクチュエータラインの圧油の流量を制御するメータアウト絞りとを有する建設機械の油圧制御装置において、前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力を検出する第１圧力検出手段と、前記メータアウト側のアクチュエータラインを前記タンクにつなげる分岐ラインに設けられたメータアウト制御弁と、前記第１圧力検出手段により検出した前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力が上昇したときに、前記操作指令信号と前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力とに基づいて、前記メータアウト制御弁を開方向に切り換える切換制御手段とを有し、前記メータアウト制御弁は、前記操作指令信号が上昇するにしたがって開口面積が増大するメータリング特性を有し、かつそのメータリング特性を、同じ指令パイロット圧で、前記メータアウト制御弁の開口面積が前記流量制御弁の前記メータアウト絞りの開口面積より大きくなるように設定したものとする。
【０００８】
このように第１圧力検出手段とメータアウト制御弁と切替制御手段を設け、メータイン側のアクチュエータラインの圧力が上昇したときに、操作指令信号とメータイン側のアクチュエータラインの圧力とに基づいて、メータアウト制御弁を開方向に切り換え、かつメータアウト制御弁の開口面積が流量制御弁のメータアウト絞りの開口面積より大きくなるように設定することにより、アクチュエータに慣性負荷が作用するときはメータアウト制御弁を閉じたままとして流量制御弁のメータアウト絞りを有効とすることで息つぎ現象を防止し、掘削時等、アクチュエータの積極駆動を要する作業ではメータアウト制御弁を開方向に切り換えることでメータアウト側の圧損を低減しエネルギロスを減少させることができる。また、メータアウト側の圧損により上昇していた圧力を低下させることでアクチュエータの駆動力をアップさせることが可能となる。
【００１４】
また、メータアウト制御弁は、操作指令信号が上昇するにしたがって開口面積が増大するメータリング特性を有することにより、メータアウト制御弁の切り替わり時におけるメータアウト側の圧力変動を抑制することができ、良好な操作性を得ることができる。
【００１５】
（２）また、上記（１）において、好ましくは、前記メータアウト制御弁は開方向作動側端部に受圧部を有し、前記切換制御手段は、前記操作指令信号としての指令パイロット圧を前記受圧部に導く信号圧ラインと、この信号圧ラインに配置された切換弁とを有し、前記切換制御手段は、前記第１圧力検出手段により検出した前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力に応じて前記切換弁を切り換え、前記受圧部に前記指令パイロット圧を選択的に導く。
【００１６】
これにより切換制御手段を油圧的に構成することができる。
【００１７】
（３）更に、上記（１）において、好ましくは、前記メータアウト制御弁は開方向作動側端部に受圧部を有し、前記切換制御手段は、前記操作指令信号としての指令パイロット圧を検出する第２圧力検出手段と、前記受圧部に信号圧力を出力する比例電磁弁と、前記第１圧力検出手段及び前記第２圧力検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、前記切換制御手段は、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に前記信号圧力を導く前記作動状況検出手段及び圧力検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に信号圧力を導く。
【００１８】
これにより切換制御手段を電気的に構成することができる。
【００１９】
（４）上記（１）において、前記メータアウト制御弁は開方向作動側端部に受圧部を有し、前記切換制御手段は、前記操作指令信号としての指令パイロット圧を一次圧として前記受圧部に信号圧力を出力する比例電磁弁と、前記第１圧力検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、前記切換制御手段は、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に前記信号圧力を導く前記メータアウト制御弁は、開方向作動側端部に受圧部を有し、前記切換制御手段は、前記アクチュエータの指令パイロット圧を一次圧として前記受圧部に信号圧力を出力する比例電磁弁と、前記作動状況検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に信号圧力を導くものであってもよい。
【００２０】
これにより切換制御手段の一部を油圧的に、他の一部を電気的に構成することができる。
【００２１】
（５）また、上記（１）〜（４）において、前記アクチュエータは油圧ショベルのアームを駆動するアームシリンダ、或いはバケットを駆動するバケットシリンダである。
【００２２】
これによりアームクラウド或いはバケットクラウドの操作において、アクチュエータに慣性負荷が作用するときは息つぎ現象を防止し、掘削時等、アクチュエータの積極駆動を要する作業ではメータアウト側の圧損を低減しエネルギロスを減少させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに係わる油圧回路部分を模式的に示したものである。
【００２５】
図１において、本実施の形態に係わる油圧制御装置は、原動機（エンジン）１と、この原動機１によって駆動される油圧ポンプ２と、油圧ポンプ２の吐出ライン３に接続され、アームシリンダ４に供給される圧油の流れ（流量及び供給方向）を制御するアーム用の流量制御弁３１を有する弁装置５と、アーム用の操作レバー装置６とを備えている。
【００２６】
油圧ポンプ２は可変容量型であり、押しのけ容積可変部材、例えば斜板２ａを有し、斜板２ａは油圧ポンプ２の吐出圧が高くなるに従って傾転（容量）を減らすように馬力制御アクチュエータ２ｂにより制御される。
【００２７】
流量制御弁３１はセンタバイパス型であり、センタバイパス部２１がセンタバイパスライン３２上に位置している。センタバイパスライン３２は上流側を油圧ポンプ２の吐出ライン３に接続され、下流側をタンク３３に接続されている。また、流量制御弁３１はポンプポート３１ａ及びタンクポート３１ｂとアクチュエータポート３１ｃ，３１ｄとを有し、ポンプポート３１ａはセンタバイパスライン３２に接続され、タンクポート３１ｂはタンク３３に接続され、アクチュエータポート３１ｃ，３１ｄはアクチュエータライン３４，３５を介してアームシリンダ４のボトム側とロッド側に接続されている。
【００２８】
操作レバー装置６は操作レバー３６と１対の減圧弁（図示せず）を内蔵した指令パイロット圧発生部３７とを有し、指令パイロット圧発生部３７はパイロットライン３８，３９を介して流量制御弁３１のパイロット圧受圧部３１ｅ，３１ｆに接続されている。操作レバー３６が操作されると指令パイロット圧発生部３７はその操作方向に応じて１対の減圧弁の一方を作動させ、その操作量に応じた指令パイロット圧をパイロットライン３８，３９の一方に出力する。
【００２９】
ここで、流量制御弁３１は、中立位置Ａと切換位置Ｂ，Ｃを有し、パイロットライン３８より受圧部３１ｅに指令パイロット圧が与えられると図示左側の位置Ｂに切り換えられ、アクチュエータライン３４がメータイン側、アクチュエータライン３５がメータアウト側となり、アームシリンダ４のボトム側に圧油が供給されてアームシリンダ４が伸長し、パイロットライン３９より受圧部３１ｆに指令パイロット圧が与えられると図示右側の位置Ｃに切り換えられ、アクチュエータライン３５がメータイン側、アクチュエータライン３４がメータアウト側となり、アームシリンダ４のロッド側に圧油が供給されてアームシリンダ４が収縮する。アームシリンダ４の伸長はアームクラウド動作に対応し、アームシリンダ４の収縮はアームダンプ動作に対応する。つまり、パイロットライン３８、受圧部３１ｅ及びその指令パイロット圧はアームクラウド指令側となり、アクチュエータライン３４はアームクラウド指令時のメータイン側のアクチュエータラインとなり、アクチュエータライン３５はアームクラウド指令時のメータアウト側のアクチュエータラインとなる。
【００３０】
また、流量制御弁３１はメータイン絞り２２ａ，２２ｂとメータアウト絞り２３ａ，２３ｂとを有し、流量制御弁３１が切換位置Ｂにあるときはメータイン絞り２２ａによりアームシリンダ４に供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞り２３ａによりアームシリンダ４からの戻り油の流量を制御し、流量制御弁３１が切換位置Ｃにあるときはメータイン絞り２２ｂによりアームシリンダ４に供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞り２３ｂによりアームシリンダ４からの戻り油の流量を制御する。
【００３１】
そして、本実施の形態のアーム用の弁装置５は、その特徴的構成として、メータアウト制御弁４２と、メータアウト制御弁４２を切り換え制御する切換弁４３とを有し、メータアウト制御弁４２は、アームクラウド指令時のメータアウト側のアクチュエータライン３５から分岐しタンク３３に至るメータアウト分岐ライン４１に配置されている。
【００３２】
メータアウト制御弁４２は２ポート２位置弁であり、弁体両端に閉方向作動のバネ４２ａと開方向作動の受圧部４２ｂとを有し、受圧部４２ｂは信号圧ライン４４を介してアームクラウド指令側のパイロットライン３８に接続されている。切換弁４３は信号圧ライン４４に配置された開閉弁であり、弁体両端に閉方向作動のバネ４３ａと開方向作動の受圧部４３ｂとを有し、受圧部４３ｂは信号圧ライン４５を介してアームクラウド指令時のメータイン側のアクチュエータライン３４に接続されている。つまり、切換弁４３の受圧部４３ｂにはアームシリンダ４のボトム側の圧力が導かれ、その圧力が高圧になり、切換弁４３が開位置に切り換えられると、メータアウト制御弁４２の受圧部４２ｂに流量制御弁４１の受圧部３１ｅに導かれたのと同じアームクラウド指令のパイロット圧が導かれ、開方向に切り換えられる。
【００３３】
メータアウト制御弁４２のメータリング特性を図２に示す。図中、実線Ａがメータアウト制御弁４２にアームクラウド指令パイロット圧が与えられたときのメータリング特性であり、波線Ｂがアーム用の流量制御弁３１にアームクラウド指令パイロット圧が与えられたときのメータアウト絞り２３ａのメータリング特性である。メータアウト制御弁４２のメータリング特性、つまりストローク（アームクラウド指令パイロット圧）と開口面積との関係は、ストロークが増大するに従って開口面積が増大し、かつ流量制御弁３１と比較し同じアームクラウド指令パイロット圧では流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａの開口面積より大きくなるように設定されている。
【００３４】
図３に油圧制御装置が搭載される油圧ショベルの外観を示す。油圧ショベルは、走行体１００、旋回体１０１、フロント作業機１０２を有し、走行体１００は左右の走行モータ５０ａ，５０ｂ（一方のみ図示）により左右のクローラ１００ａ、１００ｂ（一方のみ図示）を駆動することにより走行し、旋回体１０１は旋回モータ５１により走行体１００上で旋回する。また、フロント作業機１０２はブーム１０３、アーム１０４、バケット１０５からなる多関節構造であり、それぞれ、ブームシリンダ１０６、アームシリンダ４、バケットシリンダ１０７により垂直面内で回転駆動される。
【００３５】
本実施の形態に関わる油圧制御装置は、図１に示したアーム用の弁装置５の他、左右の走行モータ５０ａ，５０ｂ、旋回モータ５１、ブームシリンダ１０６、バケットシリンダ１０７に対する弁装置（図示せず）を備えている。これら弁装置を備えた全体の油圧回路については、例えば前述した特開２０００−２２０１６８号公報の図１に示されている。
【００３６】
次に、本実施の形態の動作を従来例と比較して説明する。
【００３７】
図４は従来の油圧制御装置の図１と同様なアームシリンダに係わる油圧回路部分を示す図である。従来の油圧制御装置では、アーム用の弁装置１５０にメータアウト制御弁４２や切換弁４３が設けられていない。
【００３８】
今、従来の油圧制御装置において、図５に示すようにアーム１０４を地面より上、すなわち空中でクラウドするため、アーム用の流量制御弁３１を図４のＢ位置に切り換えたとする。このとき、流量制御弁３１は、アームシリンダ４の戻り油をメータアウト絞り２３ａにより制御することでアームシリンダ４（アーム１０４）の速度制御をすると共に、アーム１０４の自由落下による息つぎ現象（キャビテーション）を防止している。つまり、アームクラウドのメータアウト側をを絞ることでアームシリンダ４のロッド側の圧力を上昇させ、アームの自重によるボトム側の圧力に抗する力を発生させている。これにより地面より上の作業、たとえば整地作業、土羽打ち作業の操作性を向上させることが可能となっている。
【００３９】
しかしながら、アームシリンダ４の積極駆動を要する作業、例えば図６で示すような掘削作業では、フロント作業機１０４は地面に接地しているため、先に述べたようなアーム１０４の落下若しくは息つぎ現象は発生しない。したがって、メータアウト側を上記のように絞る必要はない。逆に、メータアウト側を絞っているため不要な圧損が生じ、エネルギロスを発生させたりシリンダ推力を低下させたりする。なお、バケットクラウド操作においても同様な問題が存在する。
【００４０】
図７及び図８にエネルギーロス及びシリンダ推力の低下についての計算結果を示す。
【００４１】
図７（ａ）はポンプ吐出圧力を変えた場合のアームシリンダ４に対する入力エネルギーと流量制御弁３１のアームクラウドのメータアウト絞り２３ａによる圧損エネルギーの計算結果であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の計算結果を損失エネルギー比（％）に置き換えたものである。ここで、損失エネルギー比（％）＝（圧損エネルギー／入力エネルギー）×１００（％）である。これらの図から分かるように、油圧ポンプ１の吐出流量はアクチュエータ２ｂの馬力制御によりポンプ吐出圧力の低い領域で多いため、特にポンプ吐出圧力の低い領域でメータアウト絞り２３ａによる圧損エネルギーが大きく、損失エネルギー比が高くなる。
【００４２】
図８（ａ）はポンプ吐出圧力を変えた場合のアームシリンダ４のみかけの推力と実推力の計算結果であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の計算結果を損失推力比に置き換えたものである。ここで、アームシリンダ４のみかけの推力とはメータアウト側の圧力を０とした場合の推力であり、実推力とは流量制御弁３１のアームクラウドのメータアウト絞り２３ａによる実際の圧力に基づき計算した推力である。また、損失推力比（％）＝（（みかけの推力−実推力）／みかけの推力）×１００（％）である。これらの図から分かるように、油圧ポンプ１の吐出流量はアクチュエータ２ｂの馬力制御により特にポンプ吐出圧力の低い領域で多いため、特にポンプ吐出圧力の低い領域でメータアウト絞り２３ａによる実推力の低下が大きく、損失推力比が高くなる。
【００４３】
以上のような従来技術に対し、上記のように構成した本実施の形態では、フロント作業機１０２を空中で動かす場合、即ち図５に示すように空中でアームクラウドする場合は、アームシリンダ４のボトム側の圧力は高くないため、その圧力が信号圧として切換弁４３の受圧部４３ｂに導かれても切換弁４３は作動しない。このためメータアウト制御弁４２も作動せず、図示の閉位置に保持される。即ち、従来技術と同様、流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａが働き、アーム１０４の自由落下による息つぎ現象（キャビテーション）が防止される。
【００４４】
次に、図５に示すような状態から図６に示すような掘削状態になったとする。このとき、アームシリンダ４のボトム側の圧力が上昇しこの圧力が信号圧として切換弁４３の受圧部４３ｂに導かれるため、切換弁４３は図示の閉位置から開位置に切り換えられる。これによりメータアウト制御弁４２の受圧部４２ｂにはアームクラウド指令パイロット圧が導かれ、メータアウト制御弁４２はその指令パイロット圧に応じたストローク位置に切り替わる。メータアウト制御弁４２のメータリング特性は上述したように、流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａと比較し同じアームクラウド指令パイロット圧では流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａの開口面積より大きくなるように設定されている。このため、例えばアームクラウド指令パイロット圧が図２のストロークＸ１相当であるとすると、アームシリンダ４のロッド側からの戻り油の大部分は流量制御弁３１のメータアウト絞り２３ａではなくメータアウト制御弁４２を通ることになり、これによりメータアウトの圧損を低減することが可能となる。
【００４５】
従って、本実施の形態によれば、掘削時（アームクラウド操作時）のメータアウト側の圧損を低下させエネルギロスを減少させることができる。また、メータアウト側の圧損により上昇していたアームシリンダ４のロッド側の圧力を低下させることでアームシリンダ４の推力をアップさせることが可能となる。
【００４６】
また、本実施の形態では、メータアウト制御弁４２に図２に示したようなメータリング特性を持たせたので、メータアウト制御弁４２が図示の閉位置から開方向に切り替わるときの戻り油の急激な圧力上昇など、メータアウト制御弁４２の切り替わり時の戻り油の圧力変動を抑制し、良好な操作性を得ることができる。
【００４７】
なお、上記の実施の形態では、切換弁４３は開閉弁としたが、この切換弁４３にもメータリング特性を持たせてもよく、この場合はアームシリンダ４のボトム側の圧力変動による切換弁４３の切り替わりに際して、メータリング制御弁４２の受圧部４２ｂにオン・オフ的にアームクラウド指令パイロット圧が作用することによるメータリング制御弁４２のオン・オフ的な切り替わりが防止されるため、戻り油の圧力変動を更に効果的に抑制し、一層良好な操作性を得ることができる。
【００４８】
本発明の第２の実施の形態を図９及び図１０により説明する。図９中、図１に示した部材と同等のものには同じ符号を付している。本実施の形態は、メータアウト制御弁を電気的に制御するものである。
【００４９】
図９において、流量制御弁３１を有するアーム用の弁装置５Ａは、図１の弁装置５にあった切換弁４３を備えていない。その代わりに、本実施の形態に係わる油圧制御装置は、アームクラウド指令側のパイロットライン３８に設けられ、アームクラウド指令パイロット圧を検出する圧力センサ５１と、アームクラウド指令時のメータイン側のアクチュエータライン３４に設けられ、アームシリンダ４のボトム側の圧力を検出する圧力センサ５２と、コントローラ５３と、比例電磁弁５４とを有し、圧力センサ５１，５２の検出信号がコントローラ５３に入力され、コントローラ５３から比例電磁弁５４に指令電流が出力される。比例電磁弁５４の二次側（出力側）は信号圧ライン５５を介してメータアウト制御弁４３の受圧部４２ｂに接続され、比例電磁弁５４の二次圧が信号圧力として受圧部４３ｂに与えられる。比例電磁弁５４の一次側は公知の如くパイロット油圧源５６に接続されている。
【００５０】
図１０にコントローラ５３の処理機能を機能ブロック図で示す。コントローラ５３は、ソレノイド電流演算部５３ａ、制御係数演算部５３ｂ、乗算部５３ｃを有している。ソレノイド電流演算部５３ａは、図示するようなテーブルを用いて、アームクラウド指令パイロット圧に応じたソレノイド電流値を演算する。制御係数演算部５３ｂは、図示するようなテーブルを用いて、アームシリンダ４のボトム側の圧力に応じた制御係数ｋを演算する。ソレノイド電流演算部５３ａのテーブルには、アームクラウド指令パイロット圧が増大するに従ってソレノイド電流も増大するように両者の関係が設定されている。このテーブルを用いて演算されたソレノイド電流値は第１の実施の形態に係わる図１の信号圧ライン４４に導かれるアームクラウド指令パイロット圧に相当する。制御係数演算部５３ｂのテーブルには、アームシリンダ４のボトム側の圧力が上昇するに従って制御係数ｋが０から１へとある傾き（比例特性）をもって増大するよう両者の関係が設定されている。その傾きは、第１の実施の形態に係わる図２に示した切換弁４３にメータリング特性を持たせたことと等価である。演算部５３ａで演算されたソレノイド電流値と演算部５３ｂで演算された制御係数ｋは乗算部５３ｃで掛け合わされ、目標ソレノイド電流値が求められる。この目標ソレノイド電流値は比例電磁弁５４に指令電流として出力される。
【００５１】
以上のように構成した本実施の形態にあっても、アーム１０４の空中でのクラウド時及びアームクラウドによる掘削時に第１の実施の形態と同様の作用が得られ、掘削時（アームクラウド操作時）のメータアウト側の圧損を低下させエネルギロスを減少させることができ、かつメータアウト側の圧損により上昇していたアームシリンダ４のロッド側の圧力を低下させることでアームシリンダ４の推力をアップさせることが可能となる。
【００５２】
また、本実施の形態では、制御係数演算部５３ｂに比例特性を持たせ、第１の実施の形態に係わる図２に示した切換弁４３にメータリング特性を持たせたことと等価な構成としたので、アームシリンダ４のボトム側の圧力変動時に比例電磁弁の出力（信号圧ライン５５の信号圧力）がオン・オフ的に変化することによるメータアウト制御弁４２のオン・オフ的な切り替わりが抑制されるため、戻り油の圧力変動を更に効果的に抑制し、一層良好な操作性を得ることができる。
【００５３】
本発明の第３の実施の形態を図１１により説明する。図中、図１及び図９に示した部材と同等のものには同じ符号を付している。本実施の形態は、メータアウト制御弁を電気的に制御する他の例を示すものである。
【００５４】
図１１において、本実施の形態に係わる油圧制御装置は、図９の第２の実施の形態と同様のアーム用の弁装置５Ａを備えているが、第２の実施の形態にあったアームクラウド指令パイロット圧を検出する圧力センサは備えていない。その代わりに、比例電磁弁５４の一次側は信号圧ライン４４Ａを介してアームクラウド指令側のパイロットライン３８に接続されている。つまり、本実施の形態では、パイロットライン３８のアームクラウド指令パイロット圧を比例電磁弁５４の油圧源として用いるものである。これは、第２の実施の形態に係わる図１０のソレノイド電流演算部５３ａ及び乗算部５３ｃの構成を油圧的に構成したことと等価である。
【００５５】
コントローラ５３Ａは、図１２に示すようなソレノイド電流演算部５３ｄを有し、図示するようなテーブルを用いて、アームシリンダ４のボトム側の圧力に応じた目標ソレノイド電流値を演算する。ソレノイド電流演算部５３ｄのテーブルに設定されたアームシリンダ４のボトム側の圧力と目標ソレノイド電流との関係は、図１０に示した制御係数演算部５３ｂのアームシリンダ４のボトム側の圧力と制御係数ｋとの関係と同等であり、アームシリンダ４のボトム側の圧力が上昇するに従って目標ソレノイド電流が０から最大値へとある傾き（比例特性）をもって増大するよう両者の関係が設定されている。
【００５６】
本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られると共に、ソレノイド電流演算部５３に比例特性を持たせることで、第１の実施の形態に係わる図２に示した切換弁４３にメータリング特性を持たせたことと等価な構成が得られるので、アームシリンダ４のボトム側の圧力変動時に比例電磁弁の出力（信号圧ライン５５の信号圧力）がオン・オフ的に変化することによるメータアウト制御弁４２がのン・オフ的な切り替わりが抑制されるため、戻り油の圧力変動を更に効果的に抑制し、一層良好な操作性を得ることができる。
【００５７】
なお、上記の実施の形態は、本発明を油圧ショベルのアームシリンダの弁装置に適用した場合のものであるが、上記のようにバケットクラウド操作においても同様の問題があり、本発明をバケットシリンダの弁装置に適用してもよい。この場合、例えば図１に示す油圧回路でアームシリンダがバケットシリンダに置き換え、アーム用の流量制御弁がバケット用の流量制御弁に置き換え、アーム用の操作レバー装置がバケット用の操作レバー装置に置き換えればよい。また、本発明は、同じアクチュエータで慣性負荷が作用する作業と積極駆動を要する作業を行うものであれば、油圧ショベルのアームシリンダやバケットシリンダ以外のアクチュエータ或いは油圧ショベル以外の建設機械、例えばホイールローダ、クレーン等のアクチュエータの弁装置にも同様に適用可能である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、次の効果が得られる。
【００５９】
（１）アクチュエータに慣性負荷が作用するときは息つぎ現象を防止することができ、掘削時等、アクチュエータの積極駆動を要する作業ではメータアウト側の圧損を低減しエネルギロスを減少させることができる。
【００６０】
（２）メータアウト側の圧損により上昇していた圧力を低下させることでアクチュエータの駆動力をアップさせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる建設機械の油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに係わる油圧回路部分を模式的に示す図である。
【図２】メータアウト制御弁４２のメータリング特性を示す図である。
【図３】油圧制御装置が搭載される油圧ショベルの外観を示す図である。
【図４】従来の油圧制御装置の図１と同様なアームシリンダに係わる油圧回路部分を示す図である。
【図５】油圧ショベルのアームを空中でクラウドする動作を示す図である。
【図６】油圧ショベルのアームクラウドによる掘削作業を示す図である。
【図７】（ａ）はポンプ吐出圧力を変えた場合のアームシリンダに対する入力エネルギーと流量制御弁のアームクラウドのメータアウト側絞りによる圧損エネルギーの計算結果を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の計算結果を損失エネルギー比（％）に置き換えた図である。
【図８】（ａ）はポンプ吐出圧力を変えた場合のアームシリンダのみかけの推力と実推力の計算結果を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の計算結果を損失推力比に置き換えた図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係わる建設機械の油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに係わる油圧回路部分を模式的に示す図である。
【図１０】第２の実施の形態に係わるコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係わる建設機械の油圧制御装置のうち油圧ショベルのアームシリンダに係わる油圧回路部分を模式的に示す図である。
【図１２】第３の実施の形態に係わるコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１ 原動機（エンジン）
２ 油圧ポンプ
２ａ 押しのけ容積可変部材（斜板）
２ｂ 馬力制御アクチュエータ
３ 吐出ライン
４ アームシリンダ
５，５Ａ 弁装置
６ 操作レバー装置
２１ センタバイパス部
２２ａ，２２ｂ メータイン絞り
２３ａ，２３ｂ メータアウト絞り
３１ 流量制御弁
３１ｅ，３１ｆ 受圧部
３２ センタバイパスライン
３３ タンク
３４，３５ アクチュエータライン
３６ 操作レバー
３７ 指令パイロット圧発生部
３８，３９ パイロットライン
４１ 分岐ライン
４２ メータアウト制御弁
４２ｂ 受圧部
４３ 切換弁
４３ｂ 受圧部
４４，４４Ａ 信号圧ライン
５１，５２ 圧力センサ
５３ コントローラ
５３ａ ソレノイド電流演算部
５３ｂ 制御係数演算部
５３ｃ 乗算部
５３ｄ ソレノイド電流演算部
５４ 比例電磁弁
５５ 信号圧ライン
１００ 走行体
１０１ 旋回体
１０２ フロント作業機
１０３ ブーム
１０４ アーム
１０５ バケット
Claims (5)
- 油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧シリンダと、操作指令信号により前記油圧シリンダの動作を制御する流量制御弁とを備え、前記油圧シリンダのボトム室及びロッド室のそれぞれと流量制御弁とは、それぞれのアクチュエータラインによって接続され、前記流量制御弁は、前記油圧ポンプから前記油圧シリンダに供給されるメータイン側の前記アクチュエータラインの圧油の流量を制御するメータイン絞りと、前記油圧シリンダに慣性負荷が作用するときに前記油圧シリンダからタンクに戻されるメータアウト側の前記アクチュエータラインの圧油の流量を制御するメータアウト絞りとを有する建設機械の油圧制御装置において、
前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力を検出する第１圧力検出手段と、
前記メータアウト側のアクチュエータラインを前記タンクにつなげる分岐ラインに設けられたメータアウト制御弁と、
前記第１圧力検出手段により検出した前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力が上昇したときに、前記操作指令信号と前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力とに基づいて、前記メータアウト制御弁を開方向に切り換える切換制御手段とを有し、
前記メータアウト制御弁は、前記操作指令信号が上昇するにしたがって開口面積が増大するメータリング特性を有し、かつそのメータリング特性を、同じ操作指令信号で、前記メータアウト制御弁の開口面積が前記流量制御弁の前記メータアウト絞りの開口面積より大きくなるように設定したことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。 - 請求項１記載の建設機械の油圧制御装置において、
前記メータアウト制御弁は開方向作動側端部に受圧部を有し、
前記切換制御手段は、前記操作指令信号としての指令パイロット圧を前記受圧部に導く信号圧ラインと、この信号圧ラインに配置された切換弁とを有し、
前記切換制御手段は、前記第１圧力検出手段により検出した前記メータイン側のアクチュエータラインの圧力に応じて前記切換弁を切り換え、前記受圧部に前記指令パイロット圧を選択的に導くことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。 - 請求項１記載の建設機械の油圧制御装置において、
前記メータアウト制御弁は開方向作動側端部に受圧部を有し、
前記切換制御手段は、前記操作指令信号としての指令パイロット圧を検出する第２圧力検出手段と、前記受圧部に信号圧力を出力する比例電磁弁と、前記第１圧力検出手段及び前記第２圧力検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、
前記切換制御手段は、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に前記信号圧力を導くことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。 - 請求項１記載の建設機械の油圧制御装置において、
前記メータアウト制御弁は開方向作動側端部に受圧部を有し、
前記切換制御手段は、前記操作指令信号としての指令パイロット圧を一次圧として前記受圧部に信号圧力を出力する比例電磁弁と、
前記第１圧力検出手段の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記比例電磁弁に指令電流を出力するコントローラとを有し、
前記切換制御手段は、前記コントローラの演算結果に応じて前記比例電磁弁を駆動し、前記受圧部に前記信号圧力を導くことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。 - 請求項１〜４のいずれか１項記載の建設機械の油圧制御装置において、
前記アクチュエータは油圧ショベルのアームを駆動するアームシリンダ、或いはバケットを駆動するバケットシリンダであることを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
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