JP4815338B2 - 油圧ショベルの油圧駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ブームシリンダ及びアームシリンダとこれらのシリンダを駆動するための油圧を発生する主油圧ポンプと主油圧ポンプからブームシリンダ及びアームシリンダへ供給される圧油の流れを制御するブームシリンダ用方向制御弁及びアームシリンダ用方向制御弁とを備え、水平均し作業を行うことができる油圧ショベルの油圧駆動装置に関する。

油圧ショベルは、クローラ等で走行する下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設置された上部旋回体とを設けて車体を構成している。また、掘削作業等を行うためのブーム、アーム及びバケットのような作業用機具と、これらの作業用機具をそれぞれ駆動するためのブームシリンダ、アームシリンダ及びバケットシリンダと称する各種油圧シリンダとを設けてフロント作業機を構成している。そして、こうして構成されたフロント作業機を上部旋回体に設置して土砂の掘削作業等の種々の作業を行う。

この油圧ショベルは、前記の各種油圧シリンダ等、種々の油圧アクチュエータを駆動、制御するため、種々の油圧アクチュエータへ圧油を供給するための油圧の発生源となる主油圧ポンプと、この主油圧ポンプから各油圧アクチュエータへ供給される圧油の流れをそれぞれ制御する各方向制御弁と、各油圧アクチュエータから各方向制御弁を通じて排出される圧油を貯溜する作動油タンクとを備えた油圧駆動装置を設けている。こうした油圧駆動装置では、油圧シリンダを駆動する場合、油圧ポンプの圧油を、方向制御弁を通じて油圧シリンダのボトム側及びロッド側の一方の側に供給し、他方の側から排出して駆動するが、フロント作業機の複数の油圧シリンダについて複合操作をする場合に、通常の油圧駆動装置では、油圧シリンダの他方の側すなわち圧油排出側から排出される圧油を、その複合操作に有効に活用しないでそのまま作動油タンクに逃がしていた。

油圧ショベルにおいて、例えば、ブームシリンダ及びアームシリンダのボトム側に圧油を供給してこれらを伸長してブーム上げ及びアームクラウドの複合操作（ブームを上方に傾動させながらアームを下方に揺動させる複合操作）を行うと、ブームシリンダにおける圧油供給側すなわわちボトム側の油圧が高圧となり、これに伴ってブームシリンダにおける圧油排出側すなわちロッド側の油圧も上昇するが、こうしたエネルギーの残存するロッド側の油圧を有効に活用することなく作動油タンクに捨てていた。出願人は、こうした問題に着目して、それまで有効利用されていなかった油圧シリンダの圧油排出側の圧油を油圧シリンダの複合操作時に有効に活用できるようにするため、特許文献１に記載の技術をすでに開発している。

そこで、この特許文献１に記載の技術を従来の技術として位置付けて、後述する本発明の特徴を容易に理解できるようするため、この従来の技術の内容を以下に概説する。その際、特許文献１で使用している用語や符号を括弧内に付記しながら、本発明と関連する部分の技術内容を中心に説明する。

この特許文献１に記載の従来の技術に係る油圧ショベルの油圧駆動装置は、発明の実施の形態の説明では、フロント作業機の油圧アクチュエータをなし互に複合操作されるブームシリンダ（６）及びアームシリンダ（７）と、ブームシリンダ（６）及びアームシリンダ（７）へ供給するための油圧の発生源として共用される主油圧ポンプ（２１）とを備えている。また、ブームシリンダ（６）やアームシリンダ（７）をこうした共通の主油圧ポンプ（２１）の圧油で駆動できるようにするため、その圧油を両油圧アクチュエータへ供給する並列の管路（２７，２８）を備えている。さらに、主油圧ポンプ（２１）からブームシリンダ（６）へ供給される圧油の流れを制御するブーム用方向制御弁（２３）と、主油圧ポンプ（２１）からアームシリンダ（７）へ供給される圧油の流れを制御するアーム用方向制御弁（２４）と、ブーム用方向制御弁（２３）やアーム用方向制御弁（２４）を作動油タンク（タンク（４３））へ連結するタンク油路（４２）とを備えている。

特許文献１に記載の従来の技術では、こうした油圧駆動装置において、タンク油路（４２）とアーム用方向制御弁（２４）の上流側とを連通させる連通路（４０）と、タンク油路（４２）に設けられこのタンク油路（４２）を選択的に閉鎖することができる閉鎖手段としての合流切換弁（４４）とを設けている。この合流切換弁（４４）は、アームシリンダ（７）のボトム側の圧力が所定圧力値以上の高圧となったときに、この圧力により、開位置から閉位置に切り換えられる常開の油圧パイロット式切換弁である。この合流切換弁（４４）は、開位置にあるときに、ブーム用方向制御弁（２３）を通じてブームシリンダ（６）から排出される油圧を作動油タンクに戻せるようにし、アームシリンダ（７）のボトム側の圧力が所定圧以上の高圧となって閉位置に切り換えられたとき、ブームシリンダ（６）の特にロッド側の油圧が作動油タンクに戻されるのを阻止する働きをする。

この従来の技術に係る油圧駆動装置は、以上のような手段を備えているので、ブームシリンダ（６）及びアームシリンダ（７）を伸長させてブーム上げ及びアームクラウドの複合操作により土砂の掘削作業をしているときに、アームシリンダ（７）のボトム側の圧力が所定圧力値以上の高圧になると、合流切換弁（４４）でタンク油路（４２）を閉鎖することにより、タンク油路（４２）に排出されたブームシリンダ（６）のロッド側の圧油を連通路（４０）に導いてアーム用方向制御弁（２４）の上流側に供給する。このブームシリンダ（６）のロッド側の圧油は、主油圧ポンプ（２１）からアームシリンダ（７）に供給される圧油とアーム用方向制御弁（２４）の上流側で合流し、合流したこれらの圧油が同方向制御弁（２４）を経由してアームシリンダ（７）のボトム側へ供給される。したがって、この油圧駆動装置によれば、ブームシリンダ（６）及びアームシリンダ（７）について複合操作をする場合に、エネルギーの残存するブームシリンダ（６）のロッド側の油圧を有効に活用してアームシリンダ（７）を従前よりも迅速に伸長させることができる。
特開２００４ー３４６４８５号公報（第５−１２頁、図１−２）

特許文献１に記載の従来の技術に係る油圧駆動装置は、ブーム上げ及びアームクラウドの複合操作により土砂の掘削作業を行う場合に、エネルギーの残存するブームシリンダのロッド側の油圧をアームシリンダの増速のために活用して油圧のエネルギーの利用効率を向上させるようにしており、省エネルギーの技術として望ましいものである。しかしながら、この従来の油圧駆動装置にあっては、こうしたブーム上げ及びアームクラウドの複合操作により作業を行う場合において、利用方法を看過している未利用の残存エネルギーが存在していて、油圧回路中に残存する圧油のエネルギーを未だ十分に活用しているとはいえない。以下、この点について言及する。

ブーム上げ及びアームクラウドの複合操作時において活用できる可能性のある圧油の残存エネルギーをみると、この圧油の残存エネルギーは、ブームシリンダ及びアームシリンダの各ロッド側から排出される圧油の圧力であるが、こうした圧油の残存エネルギーを活用できるようにするには、その圧油を作動油タンクへ逃がさないようにすることが必要である。従来の技術では、こうした圧油の残存エネルギーのうちのブームシリンダのロッド側の油圧については、作動油タンクへ逃がさないようにして残存エネルギーを活用しているが、アームシリンダのロッド側の圧油については、想定している作業の性格上残存エネルギーを活用することについて全く着目していない。

そこで、この点について考察すると、従来の技術で想定しているブーム上げ及びアームクラウドの複合操作による作業は、実質上、土砂の掘削作業のような作業であり、特許文献１をみる限り、この種の作業以外の作業は、具体的に想定していない。こうした土砂の掘削作業においてアームクラウドさせる場合には、バケットを地中に押し込んでこれに掘削土砂を詰め込むことができるように、アームシリンダの伸長によりアームを強い力で下方に揺動させることが必要である。

それゆえ、アームシリンダのロッド側の圧油は、こうしたアームの揺動動作の妨げにならないようにするため、アームシリンダを伸長させるときに作動油タンクへ可及的速やかに排出できるようにすることが必要である。こうしたことから、土砂の掘削作業においては、アームシリンダのロッド側の圧油を作動油タンクへ逃がさないようにしてこのロッド側の油圧の残存エネルギーを活用し得るようにすることは、作業の性格上不可能である。また、その当然の結果として、こうしたアームシリンダのロッド側の油圧の残存エネルギーについて、その活用に着目することそれ自体も困難である。

一方、発明者は、油圧ショベルの油圧駆動装置について、省エネルギーの方策を種々研究したが、その研究の過程で、ブーム上げ及びアームクラウドの複合操作による作業であっても、水平均し作業であれば、アームシリンダの各ロッド側から排出される圧油の残存エネルギーを有効に活用し得る余地のあることを見出した。この水平均し作業は、ブーム上げとアームクラウドの複合操作を行うことにより、バケットの先端部を油圧ショベルの前方より手前に水平移動させて掘削後の地面を水平に地均しする作業である。こうしたバケットの先端部を水平に移動させる水平均し作業を成立させるためには、アームをクラウドさせてバケットを手前に水平移動させているときに、アームが自重で落ちる（下方に揺動する）のをアームシリンダで阻止しながら、ブーム上げ及びアームクラウドの複合操作によりバケットの先端部が同じ高さを保持するようにすることが必要である。

こうしたアームの動作を実施可能にするため、水平均し作業を実施する際には、アームシリンダのロッド側の圧油が作動油タンクに自由に逃げないようにアームシリンダ用方向制御弁の排出側の流路を絞ってアームシリンダのロッド側に圧を立てるようにしている。それゆえ、水平均し作業においては、土砂の掘削作業とは異なり、アームシリンダのロッド側の圧油を作動油タンクへ逃がさないようにしてこのロッド側の油圧の残存エネルギーを活用し得るようにすることは、作業の性格上可能であると考えた。そして、アームシリンダのピストンの受圧面積は、ロッド側がボトム側よりも小さいことから、アームシリンダのロッド側の油圧は、圧力それ自体、ボトム側の油圧よりも大きく、有効な未利用エネルギーとして活用し得る余地があるものと考えた。こうしたことから、従来の技術では着目されていなかったアームシリンダのロッド側の圧油の残存エネルギーを、水平均し作業を実施するときの作業効率の向上のために利用することに着眼した。

本発明は、こうした技術的背景の下に創作されたものであり、その技術的課題は、従来の技術では着目されていなかった油圧回路中の圧油の残存エネルギーを利用して水平均し作業を効率的に行うことができる油圧ショベルの油圧駆動装置を提供することにある。

本発明は、前記の技術的課題を達成するため、
フロント作業機のブーム及びアームをそれぞれ駆動するためのブームシリンダ及びアームシリンダと、これらのブームシリンダ及びアームシリンダへ供給するための油圧の発生源となる主油圧ポンプと、この主油圧ポンプからブームシリンダへ供給される圧油の流れを制御するブームシリンダ用方向制御弁と、主油圧ポンプからアームシリンダへ供給される圧油の流れを制御するアームシリンダ用方向制御弁と、アームシリンダ用方向制御弁を作動油タンクへ連結するタンク油路とを備えた油圧ショベルの油圧駆動装置において、
このタンク油路を選択的に閉鎖することができる閉鎖手段を設けて、ブームシリンダ及びアームシリンダの各ボトム側に圧油を供給して両シリンダを複合操作することにより水平均し作業を行っている場合においてアームシリンダのロッド側の圧油の圧力が所定圧力値以上の高圧となったときに、閉鎖手段でタンク油路を閉鎖することによりアームシリンダのロッド側の圧油が作動油タンクへ逃げるのを阻止するとともに、このアームシリンダのロッドの圧油をブームシリンダ用方向制御弁を経由してブームシリンダのボトム側へ供給するように構成した。

本発明の油圧ショベルの油圧駆動装置は、「タンク油路を選択的に閉鎖することができる閉鎖手段を設けて、水平均し作業を行っている場合においてアームシリンダのロッド側の圧油の圧力が所定圧力値以上の高圧となったときに、閉鎖手段でタンク油路を閉鎖することによりアームシリンダのロッド側の圧油が作動油タンクへ逃げるのを阻止するとともに、このアームシリンダのロッドの圧油をブームシリンダ用方向制御弁を経由してブームシリンダのボトム側へ供給するように構成した」ので、以下に述べるように、水平均し作業の実施時にブーム上げの速度を従来よりも速くすることができる。

すなわち、ブームシリンダ及びアームシリンダの各ボトム側に圧油を供給して水平均し作業を実施することにより、アームシリンダのロッド側の圧油の圧力が所定圧力値以上の高圧となって、水平均し作業が実施されていることを識別できたときには、閉鎖手段でタンク油路を閉鎖し、これにより、アームシリンダのロッド側の圧油の圧力を一層高めて、ブームシリンダのボトム側の圧油の圧力を増強させ得るまでに高めることができる。そして、この高圧のアームシリンダのロッド側の圧油を作動油タンクへ逃がすことなくブームシリンダ用方向制御弁を経由してブームシリンダのボトム側へ供給すると、この高圧の圧油は、主油圧ポンプからブームシリンダのボトム側へ供給されている圧油と合わさって、ブームシリンダを従来よりも迅速に伸長させることができる。このように、本発明の油圧ショベルの油圧駆動装置によれば、従来の技術では着目されていなかった油圧回路中の圧油の残存エネルギーであるアームシリンダのロッド側の圧油の圧力を利用して水平均し作業を効率的に行うことができる。

以下の説明から明らかなように、本発明の油圧ショベルの油圧駆動装置は、前記の〔課題を解決するための手段〕の項に示したように構成されているので、従来の技術では着目されていなかった油圧回路中の圧油の残存エネルギーを利用して水平均し作業を効率的に行うことができ、油圧駆動装置の省エネルギー化の向上に資することができる。

以下、本発明が実際上どのように具体化されるのかを図１及び図２を用いて説明することにより、本発明を実施するための望ましい形態を明らかにする。

図１は、本発明を具体化して構成した油圧ショベルの油圧駆動装置についての油圧回路図、図２は、図１の油圧駆動装置を設けた油圧ショベルの側面図である。なお、図２において、油圧駆動装置は、方向制御弁７，８等各部を簡略化して図示しているので、油圧駆動装置の詳細については、図１の油圧回路図を参照されたい。

まず、図２に基づき、図１の油圧駆動装置が設けられる自走式の油圧ショベルについて概説する。

この自走式の油圧ショベルは、大別すると、土砂の掘削作業及び掘削土砂の積載作業や後述する水平均し作業等、種々の作業を行うためのフロント作業機３０と、このフロント作業機３０が設置される走行可能な車体２０とで構成される。このうち、車体２０は、上部旋回体２２を設置するための基台となり作業現場を走行することが可能な下部走行体２１と、この下部走行体２１上に旋回可能に搭載された旋回フレーム２２ａ及びこの旋回フレーム２２ａ上に設置された諸装置からなる上部旋回体２２とを設けて構成される。旋回フレーム２２ａ上には、フロント作業機３０のほか、後述する主油圧ポンプ１、これを駆動するエンジン２及び各種制御装置等を内蔵した建屋２２ｂ、運転室２２ｃ等の種々の装置が設置されている。また、下部走行体２１は、スプロケットの回転が伝動されるエンドレスチェーン状のクローラ２１ａにより走行する。

一方、車体２０上に設置されるフロント作業機３０は、後端部が旋回フレーム２２ａの前部に垂直方向に回動（傾動）可能に軸着されて設置されたブーム３１と、後端部がこのブーム３１の前端部に垂直方向に回動（揺動）可能に軸着されたアーム３２と、このアーム３２の前端部に垂直方向に回動可能にかつ着脱可能に軸着されたバケット３３とを備えている。また、これらの作業用機具をそれぞれ駆動するための油圧アクチュエータとして、後述する図１に図示のブームシリンダ１及びアームシリンダ２や図１への図示を省略しているバケットシリンダ３を備えている。これらのブームシリンダ１、アームシリンダ２及びバケットシリンダ３は、それぞれ、伸縮させてブーム３１、アーム３２及びバケット３３を垂直方向に回動させるように駆動する。

図１及び図２に基づき、本発明を具体化して構成した油圧ショベルの油圧駆動装置について説明する。

図１及び図２において、１は油圧により伸縮させてブーム３１を回動させるように駆動するブームシリンダ、１ａはシリンダチューブのボトム側の室をなし圧油が供給又は排出されるブームシリンダ１のボトム側室、１ｂはシリンダチューブのピストンロッド側の室をなし圧油が供給又は排出されるブームシリンダ１のロッド側室、２は油圧により伸縮させてアーム３２を回動させるように駆動するアームシリンダ、２ａはアームシリンダ２のボトム側室、２ｂはアームシリンダ２のロッド側室、４はブームシリンダ１及びアームシリンダ２へ供給するための油圧の発生源となる可変容量型の主油圧ポンプ、４ａは主油圧ポンプ４の圧油を供給するための第１の圧油供給管路、４ｂは主油圧ポンプ４の圧油を供給するための第２の圧油供給管路、５は油圧ショベルの動力源となりこの主油圧ポンプ４を駆動するためのエンジン、６は作動油を貯溜するための作動油タンクである。

図に示す例では、ブームシリンダ１及びアームシリンダ２へ供給するための油圧の発生源として１台の可変容量型の主油圧ポンプ４を共用している。油圧ショベルでは、ブームシリンダ１及びアームシリンダ２のうちの複数の油圧アクチュエータについて、時を同じくして駆動するいわゆる複合操作が行われる。こうした複合操作が共通の主油圧ポンプ４で行えるようにするため、主油圧ポンプ４の圧油をブームシリンダ１及びアームシリンダ２に対して互に並列の油路により供給するように配管している。すなわち、主油圧ポンプ４の圧油を、アームシリンダ２へは第２の圧油供給管路４ｂを通じて供給し、ブームシリンダ１へはこの圧油供給管路４ｂと並列の第１の圧油供給管路４ａを通じて供給するように配管し、両圧油供給管路４ａ，４ｂに均等の圧を導き得るようにしている。

７は主油圧ポンプ４からブームシリンダ１へ供給される圧油の流れや流量を切り換えて同シリンダ１の運動を制御するブーム用方向制御弁、７ａはブーム用方向制御弁７をブームシリンダ１のボトム側室１ａへ連結するブーム用方向制御弁７のボトム側管路、７ｂはブーム用方向制御弁７をブームシリンダ１のロッド側室１ｂへ連結するブーム用方向制御弁７のロッド側管路、７ｃはブーム用方向制御弁７を作動油タンク６へ連結するブーム用方向制御弁７のタンク管路、８は主油圧ポンプ４からアームシリンダ２へ供給される圧油の流れや流量を切り換えて同シリンダ２の運動を制御するアーム用方向制御弁、８ａはアーム用方向制御弁８をアームシリンダ２のボトム側室２ａへ連結するアーム用方向制御弁８のボトム側管路、８ｂはアーム用方向制御弁８をアームシリンダ２のロッド側室２ｂへ連結するアーム用方向制御弁８のロッド側管路、８ｃはアーム用方向制御弁８を作動油タンク６へ連結するアーム用方向制御弁８のタンク管路、８ｄは水平均し作業を実施できるようにするためにアーム用方向制御弁８内の排出側の流路に付設した絞りである。

油圧ショベルの油圧駆動装置には、実際上は、バケットシリンダ３やこのシリンダ３の運動を制御するバケット用方向制御弁も設けているが、これらは、本発明の本質に直接的には関係しないので、図１及び図２における油圧回路中への図示は省略している。方向制御弁７，８は、そのそれぞれを操作するための図示しない操作レバー等の各操作手段を操作すると、図示しないパイロットポンプの油圧パイロット圧が各操作手段の操作量に応じた圧力値に調整されて、各方向制御弁７，８の信号受け部に出力される。その結果、方向制御弁７，８は、それぞれ、油圧パイロット圧の圧力値に応じて開口量が調節されてブームシリンダ１及びアームシリンダ２の各駆動速度を制御する。また、各操作手段の操作方向により、それぞれ、方向制御弁７，８を中立位置から左位置又は右位置に切り換えてブームシリンダ１及びアームシリンダ２の駆動方向を制御する。

そこで、各方向制御弁７，８の働きについて更に具体的に述べる。ブーム用方向制御弁７は、圧力調整された油圧パイロット圧が、図示しないパイロット管路を通じての左の信号受け部へ出力されると、中立位置から左位置（図１に示す位置）に切り換えられる。そうすると、このブーム用方向制御弁７は、主油圧ポンプ４の圧油を、ボトム側管路７ａを通じてブームシリンダ１のボトム側室１ａへ供給するとともに、そのロッド側室１ｂの圧油を、ロッド側管路７ｂからタンク管路７ｃを通じて作動油タンク６へ排出し、これにより、ブームシリンダ１を伸長させてブーム上げ操作を行う。

同様にして、油圧パイロット圧が、図示しないパイロット管路を通じて右の信号受け部へ出力されると、ブーム用方向制御弁７は、右位置に切り換えられる。そうすると、このブーム用方向制御弁７は、主油圧ポンプ４の圧油を、ロッド側管路７ｂを通じてブームシリンダ１のロッド側室１ｂへ供給するとともに、そのボトム側室１ａの圧油を、ボトム側管路７ａからタンク管路７ｃを通じて作動油タンク６へ排出し、これにより、ブームシリンダ１を縮小させてブーム下げ操作を行う。以上の切換操作の間、ブーム用方向制御弁７は、操作手段の操作量に応じて開口量が調節され、これにより、ブームシリンダ１の伸縮する速度を制御する。

一方、アーム用方向制御弁８は、圧力調整された油圧パイロット圧が、図示しないパイロット管路を通じての左の信号受け部へ出力されると、中立位置から左位置（図１に示す位置）に切り換えられる。そうすると、このアーム用方向制御弁８は、主油圧ポンプ４の圧油を、ボトム側管路８ａを通じてアームシリンダ２のボトム側室２ａへ供給するとともに、そのロッド側室２ｂの圧油を、ロッド側管路８ｂからアーム用方向制御弁８内の絞り８ｄ及びタンク管路８ｃを経て作動油タンク６へ排出し、これにより、アームシリンダ２を伸長させてアームクラウド操作を行う。

同様にして、油圧パイロット圧が、図示しないパイロット管路を通じて右の信号受け部へ出力されると、アーム用方向制御弁８は、右位置に切り換えられる。そうすると、このアーム用方向制御弁８は、主油圧ポンプ４の圧油を、ロッド側管路８ｂを通じてアームシリンダ２のロッド側室２ｂへ供給するとともに、そのボトム側室２ａの圧油を、ボトム側管路８ａからタンク管路８ｃを通じて作動油タンク６へ排出し、これにより、アームシリンダ２を縮小させてアームダンプ操作を行う。以上の切換操作の間、アーム用方向制御弁８は、操作手段の操作量に応じて開口量が調節され、これにより、アームシリンダ２の伸縮する速度を制御する。

１０はアーム用方向制御弁８のロッド側管路８ｂから分岐して設けられアームシリンダ２のロッド側室２ｂの圧油をブーム用方向制御弁７を経由してボトム側管路７ａへ供給するための連通管路、１０ａは後記連通管路用のポペット弁１４のパイロット油を同ポペット弁１４の二次側の連通管路１０へ導くためのパイロット管路としての副管路、１１は連通管路１０から分岐して設けられアームシリンダ２のロッド側室２ｂの圧油を油圧パイロット圧として導くためのパイロット管路、１２は次に述べる切換弁１３と連通管路用のポペット弁１４とからなり連通管路１０を選択的に開放することができる開放手段としてのブーム合流流量制御弁（ロジック弁）、１３は副管路１０ａに設けられ通常は右位置に切り換えられて副管路１０ａを閉鎖しているスプリングオフセットパイロット方式の２ポート２位置の切換弁、１４はこの切換弁１３による副管路１０ａの閉鎖時には連通管路１０を閉鎖し切換弁１３による副管路１０ａの開放時には連通管路１０を開放する連通管路用のポペット弁である。

切換弁１３は、流量制御が可能な常閉の開閉弁に相当するが、後述する所定圧力値以上の設定された油圧パイロット圧がパイロット管路１１を通じて信号受け部へ送られると、左位置に切り換えられて副管路１０ａを開放し、これにより、連通管路用のポペット弁１４内のパイロット油を、副管路１０ａを通じて連通管路１０へ逃がす。その場合、この切換弁１３は、パイロット管路１１から信号受け部へ送られる油圧パイロット圧の大きさに応じて開口量が調節され、これにより、切換弁１３を通過するパイロット油の流量が調整される。切換弁１３は、このパイロット油の流量を調整することにより、次に述べる連通管路用のポペット弁１４の開口量を制御することができる。

連通管路用のポペット弁１４は、上下方向に移動する弁体１４ａを備え、この弁体１４ａが上位置にあるときに連通管路１０を閉鎖し、この上位置から下方へ移動すると、連通管路１０を開放して、アームシリンダ２のロッド側室２ｂの圧油が連通管路１０を通じてブーム用方向制御弁７へ送られる。その場合、弁体１４ａの下方への移動量に応じて開口量が調節され、これにより、ポペット弁１４を通過する圧油の流量が調整される。このポペット弁１４は、内部のパイロット油を切換弁１３の開放により外部に流出させると、弁体１４ａが上位置から下方へ移動し、そうでないときには、上位置にセットされて連通管路１０を閉鎖している。その場合、弁体１４ａの下方への移動量は、流出するパイロット油の流量すなわち切換弁１３の開口量に応じて調節される。したがって、連通管路１０内の圧油の流れは、帰するところ、パイロット管路１１内の油圧パイロット圧により制御をすることができ、本明細書では、こうした制御をするための切換弁１３と連通管路用のポペット弁１４との集合体をブーム合流流量制御弁１２として位置付けている。

ブーム上げとアームクラウドの複合操作により水平均し作業を行うと、ブーム用方向制御弁７及びアーム用方向制御弁８は、図１に示すように左位置に切り換えられる。その結果、ブームシリンダ１のボトム側室１ａ及びアームシリンダ２のボトム側室２ａに主油圧ポンプ４の圧油が供給され、ブームシリンダ１のロッド側室１ｂ及びアームシリンダ２のロッド側室２ｂの圧油がそれぞれロッド側管路７ｂ及びロッド側管路８ｂへ排出される。このとき、アームシリンダ２のロッド側室２ｂの圧油は、ロッド側管路８ｂからアーム用方向制御弁８を経てタンク管路８ｃへ逃げようとするが、アーム用方向制御弁８内の排出側の流路を絞り８ｄで絞ってアームシリンダ２のロッド側室２ｂ内に圧をこもらせることにより、アーム３２が自重で落ちるのを阻止して、アーム３２によりバケット３３を水平移動させる水平均し作業を実施できるようにしている。

その結果、アームシリンダ２のロッド側室２ｂ内の圧は、アームシリンダ２のボトム側室２ａ側からピストン２ｃに作用する油圧と同ピストン２ｃに作用するアーム３２の自重による力とにより高められ、これに伴って、ロッド側管路８ｂ内の油圧も上昇する。そして、互いに並列接続された第１の圧油供給管路４ａ及び第２の圧油供給管路４ｂを通じてブームシリンダ１のボトム側室１ａ及びアームシリンダ２のボトム側室２ａにそれぞれ供給される圧油の圧は均等であり、また、アームシリンダ２のピストン２ｃの受圧面積は、ロッド側室２ｂの側がボトム側室２ａの側よりも小さいことから、アームシリンダ２のロッド側室２ｂの油圧は、ボトム側室２ａの油圧よりも大きい。

これらのことから、水平均し作業時において、アームシリンダ２のロッド側室２ｂ内の圧は、これを作動油タンク６に逃がさないようにすれば、ブームシリンダ１のボトム側室１ａ内の圧よりも高くすることが可能である。したがって、水平均し作業時にタンク管路８ｃを閉鎖した状態において、アームシリンダ２のロッド側室２ｂ内の圧油を、連通管路１０からブーム用方向制御弁７を経由させて主油圧ポンプ４の圧油と合流させ、ボトム側管路７ａを通じてブームシリンダ１のボトム側室１ａへ供給すれば、ブームシリンダ１の増速のために活用することができる。

パイロット管路１１は、こうしたアームシリンダ２のロッド側室２ｂ内の圧油を油圧パイロット圧として切換弁１３や後述する切換弁１６の信号受け部に導く管路であり、切換弁１３は、そのロッド側室２ｂの圧油の圧力が予め設定された所定圧力値以上の高圧となったときに左位置に切り換えられる。そうすると、切換弁１３は、副管路１０ａを開放して連通管路用のポペット弁１４内のパイロット油の一部を同ポペット弁１４の下流側の連通管路１０に逃がし、これにより、ポペット弁１４は、連通管路１０を開放してアームシリンダ２のロッド側室２ｂ内の油圧を、連通管路１０を通じてブーム用方向制御弁７へ送ってボトム側管路７ａの圧油と合流させる。

切換弁１３や後述する切換弁１６を水平均し作業時に右位置に切り換えるためのパイロット管路１１の油圧パイロット圧に係る設定値は、基本的には水平均し作業が実施されていることを識別するための信号圧である。したがって、その設定値は、例えば、水平均し作業時に想定されるアームシリンダ２のロッド側の圧力の値に設定したり、土砂の掘削作業時におけるアームシリンダ２のロッド側の圧力値と区別し得るだけの大きな値に設定したりする等、水平均し作業の実施を識別することが可能なアームシリンダ２のロッド側の圧力に係る設定値であればよく、当業者が設計上任意に選択することができる。

８ｃ’は後記タンク管路用のポペット弁１７内のパイロット油を同ポペット弁１７の二次側のタンク管路８ｃへ導くためのパイロット管路としての副管路、１５は次に述べる切換弁１６とタンク管路用のポペット弁１７とからなりタンク管路８ｃを選択的に閉鎖することができる閉鎖手段としてのアームメータアウト流量制御弁（ロジック弁）、１６は副管路８ｃ’に設けられ通常は右位置に切り換えられて副管路８ｃ’を開放しているスプリングオフセットパイロット方式の２ポート２位置の切換弁、１７はこの切換弁１６による副管路８ｃ’の開放時にはタンク管路８ｃを開放し切換弁１６による副管路８ｃ’の閉鎖時にはタンク管路８ｃを閉鎖するタンク管路用のポペット弁である。

切換弁１６及びタンク管路用のポペット弁１７は、既述の切換弁１３及び連通管路用のポペット弁１４と構造上基本的に差異はなく、切換弁１６が流量制御が可能な常開の開閉弁の働きをしている点で、常閉の開閉弁の働きをする切換弁１３と相違するだけである。油圧パイロット圧としてのアームシリンダ２のロッド側室２ｂの油圧は、パイロット管路１１を通じて切換弁１６の信号受け部にも導かれ、この油圧が予め設定されたの前記所定圧力値以上の高圧となったときに切換弁１６を左位置に切り換える。そうすると、切換弁１６は、切換弁１３とは逆に副管路８ｃ’を閉鎖し、これにより、ポペット弁１７は、ポペット弁１４とは逆にタンク管路８ｃを閉鎖して、アームシリンダ２のロッド側室２ｂ内の油圧が作動油タンク６へ逃げるのを阻止する。その結果、アームシリンダ２のロッド側室２ｂ内の圧を確実に高めることができる。

以上の手段を備えた油圧ショベルの油圧駆動装置においてブーム上げ及びアームクラウドの複合操作により水平均し作業を実施するときの作用効果について説明する。

いま、ブームシリンダ１のボトム側室１ａとアームシリンダ２のボトム側室２ａに圧油を供給して両シリンダ１，２を複合操作することにより水平均し作業を実施したものとすると、アーム用方向制御弁８内の排出側の流路が絞り８ｄで絞られているため、アームシリンダ２のロッド側室２ｂ内に油圧がこもって上昇し、やがて、アームシリンダ２のロッド側室２ｂ内の油圧が所定圧力値以上の高圧となり、これにより、水平均し作業が実施されていることを識別することができる。こうした状態において、このロッド側室２ｂ内の油圧は、油圧パイロット圧の制御信号としてパイロット管路１１を通じてブーム合流流量制御弁１２及びアームメータアウト流量制御弁１５に出力され、両流量制御弁１２，１５を作動させて、連通管路１０を開放するとともにタンク管路８ｃを閉鎖する。

こうしてタンク管路８ｃを閉鎖したことにより、アームシリンダ２のロッド側室２ｂの圧油を作動油タンク６へ逃がすことなく、その圧油の圧力を一層高めて、ブームシリンダ１のボトム側室１ａの油圧を増強させ得るまでに高めることができる。そして、連通管路１０を開放したことにより、この高圧のロッド側室２ｂの圧油は、連通管路１０からブームシリンダ用方向制御弁７を経由した後にボトム側管路７ａを通じてブームシリンダのボトム側室１ａへ供給される。この圧油は、主油圧ポンプ４からブームシリンダ１のボトム側室１ａへ供給されている圧油と合わさって、ブームシリンダ１を従来よりも迅速に伸長させることができる。このように、本油圧ショベルの油圧駆動装置によれば、従来の技術では着目されていなかった油圧回路中の圧油の残存エネルギーであるアームシリンダ２のロッド側の圧油の圧力を利用して水平均し作業を効率的に行うことができる。

次に、本油圧ショベルの油圧駆動装置においてブーム上げ及びアームクラウドの複合操作により土砂の掘削作業を実施するときの作用効果について説明する。

いま、ブームシリンダ１のボトム側室１ａとアームシリンダ２のボトム側室２ａに圧油を供給して両シリンダ１，２を複合操作することにより土砂の掘削作業を実施したものとすると、アーム用方向制御弁８内の排出側の流路が絞り８ｄで絞られているため、水平均し作業の実施時と同様、アームシリンダ２のロッド側室２ｂ内に油圧がこもるが、アーム３２をクラウドさせて土砂の掘削作業を実施すると、バケット３３が地中に押し込まれることにより、アーム３２を上方に持ち上げるような掘削反力がバケット３３を通じてアーム３２に作用する。そうすると、このアーム３２の掘削反力が、アームシリンダ２のロッド側室２ｂを拡大させるような傾向の力をピストン２ｃに加えるため、アームシリンダ２のロッド側室２ｂ内の油圧は、水平均し作業の実施時のようには高まらない。

そのため、アームシリンダ２のロッド側室２ｂの圧油の圧力は、前記の予め設定された所定圧力値までには上昇せず、ブーム合流流量制御弁１２及びアームメータアウト流量制御弁１５の何れも作動させることができず、連通管路１０及びタンク管路８ｃは、水平均し作業の実施時とは逆に、それぞれ閉鎖状態及び開放状態にある。したがって、ブームシリンダ１のボトム側室１ａには、主油圧ポンプ４の圧油だけがボトム側管路７ａを通じて供給されるとともに、ブームシリンダ１のロッド側室１ｂの圧油は、ロッド側管路７ｂからタンク管路７ｃを通じて排出されて、通常通りのブーム上げ操作が行われる。また、アームシリンダ２のボトム側室２ａには、主油圧ポンプ４の圧油がボトム側管路８ａを通じて供給されるとともに、アームシリンダ２のロッド側室２ｂの圧油は、ロッド側管路８ｂから連通管路１０を流れることなく、アーム用方向制御弁８及びタンク管路８ｃを経て排出されて、通常通りのアームクラウド操作が行われる。

以上のように、本油圧ショベルの油圧駆動装置では、ブーム上げ及びアームクラウドの複合操作時において、水平均し作業が実施されているか土砂の掘削作業が実施されているかを、パイロット管路１１内の油圧パイロット圧により自動的に識別することができる。そして、水平均し作業が実施されていることが識別されたときには、これまで未利用のアームシリンダ２のロッド側の圧油の残存エネルギーを利用して水平均し作業を効率的に実施することができ、油圧駆動装置の省エネルギー化の向上に資することができる。また、水平均し作業の効率化のために特別に付加した油圧駆動装置における手段は、土砂の掘削作業の油圧駆動操作になんらの支障をももたらさないので、土砂の掘削作業が実施されていることが識別されたときは、土砂の掘削作業のための特別の手段を付加することなく、かつ、通常とは変わらぬ運転操作により、土砂の掘削のためのブーム上げ及びアームクラウドの複合操作を円滑に実施することができる。

本発明を具体化して構成した油圧ショベルの油圧駆動装置についての油圧回路図である。 図１の油圧駆動装置を設けた油圧ショベルの側面図である。

符号の説明

１ ブームシリンダ
１ａ （ブームシリンダ６の）ボトム側室
１ｂ （ブームシリンダ６の）ロッド側室
２ アームシリンダ
２ａ （アームシリンダ７の）ボトム側室
２ｂ （アームシリンダ７の）ロッド側室
２ｃ （アームシリンダ７の）のピストン
３ バケットシリンダ
４ 主油圧ポンプ
４ａ，４ｂ 圧油供給管路
５ エンジン
６ 作動油タンク
７ ブーム用方向制御弁
７ａ （ブーム用方向制御弁７の）ボトム側管路
７ｂ （ブーム用方向制御弁７の）ロッド側管路
７ｃ （ブーム用方向制御弁７の）タンク管路、
８ アーム用方向制御弁
８ａ （アーム用方向制御弁８の）ボトム側管路
８ｂ （アーム用方向制御弁８の）ロッド側管路
８ｃ （アーム用方向制御弁８の）タンク管路
８ｃ’ 副管路
８ｄ （アーム用方向制御弁８の）絞り
１０ 連通管路
１０ａ 副管路
１１ パイロット管路
１２ ブーム合流流量制御弁（ロジック弁）
１３ 切換弁
１４ 連通管路用のポペット弁
１５ アームメータアウト流量制御弁（ロジック弁）
１６ 切換弁
１７ タンク管路用のポペット弁
２０ 車体
２１ 下部走行体
２２ 上部旋回体
３０ フロント作業機
３１ ブーム
３２ アーム
３３ バケット

Claims (1)

1. フロント作業機のブーム及びアームをそれぞれ駆動するためのブームシリンダ及びアームシリンダと、これらのブームシリンダ及びアームシリンダへ供給するための油圧の発生源となる主油圧ポンプと、この主油圧ポンプからブームシリンダへ供給される圧油の流れを制御するブームシリンダ用方向制御弁と、主油圧ポンプからアームシリンダへ供給される圧油の流れを制御するアームシリンダ用方向制御弁と、アームシリンダ用方向制御弁を作動油タンクへ連結するタンク油路とを備えた油圧ショベルの油圧駆動装置において、このタンク油路を選択的に閉鎖することができる閉鎖手段を設けて、ブームシリンダ及びアームシリンダの各ボトム側に圧油を供給して両シリンダを複合操作することにより水平均し作業を行っている場合においてアームシリンダのロッド側の圧油の圧力が所定圧力値以上の高圧となったときに、閉鎖手段でタンク油路を閉鎖することによりアームシリンダのロッド側の圧油が作動油タンクへ逃げるのを阻止するとともに、このアームシリンダのロッドの圧油をブームシリンダ用方向制御弁を経由してブームシリンダのボトム側へ供給するように構成したことをことを特徴とする油圧ショベルの油圧駆動装置。

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