JP4871147B2 - ブーム付き建設機械の油圧回路 - Google Patents

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Description

本発明はブーム付き建設機械の油圧回路に関するものであり、特に、油圧ホース破損時にブーム下げラインの戻り油を絞って遮断する安全対策回路を備えた建設機械において、ブーム保持圧が適正である場合、ブーム下げ操作量が小さくとも安全対策回路の絞りを開口してエネルギ回生できるようにしたブーム付き建設機械の油圧回路に関するものである。
従来、油圧ショベルや油圧クレーンなどのブーム付き建設機械において、油圧ホース破損時にブーム下げラインの戻り油を絞って遮断する安全対策回路として、液圧シリンダ(油圧シリンダ)が自由落下するときの排出側にディテント付き切換弁と絞りとを直列に配置し、上記切換弁として通常は作動位置で、上記絞りの前後差圧が所定値以上になったとき停止位置に切り換わるものを用いた油圧シリンダの落下防止回路が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、ブーム下げラインの戻り油をエネルギ回生する回生回路として、複数の油圧アクチュエータからの戻り油を回収し、その回収した戻り油によって回転駆動される回転機(ポンプモータ)を備えて構成される油圧回生回路と、各油圧アクチュエータにおけるメータアウト側からの戻り油を油圧再生回路へ導く案内油路と、この案内油路の開閉を切り換える切換手段(切換弁)と、各油圧アクチュエータの背圧を検出する圧力検出手段(圧力センサ)と、回転機からの回転力により電力を発生する発電機を設けた建設機械の油圧回路が知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開昭57−15104号公報 特開2004−11168号公報
特許文献1記載の発明は、油圧ホース破損時における油圧シリンダの自由落下防止回路であり、エネルギ回生についての記載はない。
特許文献2記載の発明は、複数のアクチュエータからの戻り油を、背圧の高低により2組の油圧エネルギ回収手段にて効率的に回収し、エネルギ回生を行おうとするものであるが、油圧ホース破損時の安全対策回路についての記載はない。
いま仮に、請求項1記載の油圧シリンダの排出側油路に回生回路を設けたとしても、排出側に設けられた絞りによって流量が抑えられるため、油圧シリンダの操作量が小さいときは、ブームの位置エネルギは絞りの圧力損失として損失されてしまい、エネルギ回生ができない。
そこで、油圧ホース破損時にブーム下げラインの戻り油を絞って遮断する安全対策回路を備えるとともに、ブーム下げラインの戻り油をエネルギ回生する回生回路を備えたブーム付き建設機械において、ブーム操作量が小さくて安全対策回路の開口が絞られている場合に、ブーム保持圧が適正であれば、安全対策回路の開口を大きくしてエネルギ回生ができるようにするために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項1記載の発明は、油圧ホース破損時にブーム下げラインの戻り油を絞って遮断する安全対策回路を備えるとともに、ブーム下げラインの戻り油を用いて油圧モータを回転して発電機により発電を行うことでエネルギ回生する回生回路を備えたブーム付き建設機械において、
ブーム保持圧を検出するブーム保持圧検出手段と、ブーム下げパイロット圧とブーム保持圧とに対応して前記安全対策回路へ操作圧を導出して絞りを開口させる機能解除回路とを設け、
ブーム下げ操作時にブーム保持圧が所定値以上である場合は、前記機能解除回路からの操作圧を高くして前記安全対策回路の絞りの開口を大にし、前記安全対策回路の絞りから導出される戻り油を用いて前記油圧モータを回転して前記発電機により発電することを特徴とするブーム付き建設機械の油圧回路と提供する。
この構成によれば、ブーム下げパイロット圧が発生すると、機能解除回路から操作圧が導出されて安全対策回路の絞りを開口させる。このとき、ブーム保持圧が所定値以上であれば、機能解除回路から高い操作圧を導出して、安全対策回路の絞りの開口を大にすることにより、ブーム下げラインの戻り油の流量が増加して回生回路でエネルギ回生が行われる。
請求項2記載の発明は、前記機能解除回路はブーム下げパイロット圧の付加によりブーム下げラインの戻り油を導入する第1切換弁と、該第1切換弁から導入されたブーム保持圧に応じて前記ブーム下げパイロット圧またはブーム下げパイロット圧よりも高い圧油の何れかを通過させて前記安全対策回路へ操作圧を導出する第2切換弁とからなり、前記安全対策回路はポペットにて油路を絞って遮断する保持弁と、前記機能解除回路から導入される操作圧の増加に伴い前記保持弁の絞りを開口させる切換弁とを有したことを特徴とする請求項1記載のブーム付き建設機械の油圧回路を提供する。
この構成によれば、ブーム下げ操作時には、ブーム下げパイロット圧の付加によって機能解除回路の第1切換弁が切り換わり、ブーム下げラインの戻り油が機能解除回路に導入される。該第1切換弁から導入されたブーム下げラインのブーム保持圧が所定値未満の低圧であるときは、ブーム下げパイロット圧が機能解除回路の第2切換弁を通過して操作圧として安全対策回路へ導出され、ブーム保持圧が所定値以上のときは前記第2切換弁が切り換わり、ブーム下げパイロット圧よりも高い圧油が操作圧として安全対策回路へ導出される。
安全対策回路の切換弁は、保持弁の絞りを開口させるものであり、機能解除回路の操作圧が所定値未満の低圧であるときは、保持弁を閉止してブーム下げラインの戻り油を遮断し、機能解除回路の操作圧が所定値以上の高圧となったときは保持弁を開口させてブーム下げラインの戻り油を通過させる。
本発明は、安全対策回路へ操作圧を導出して絞りを開口させる機能解除回路を設け、ブーム下げ操作時にブーム保持圧が所定値以上であれば、機能解除手段からの操作圧を高くして前記安全対策回路の絞りを開口するように構成したので、ブーム下げラインの戻り油の流量が増加する。したがって、ブーム下げ操作量が小さい場合でも絞りでの圧力損失が低減し、回生回路で効率的にエネルギ回生を行うことができる。
以下、本発明に係るブーム付き建設機械の油圧回路について、好適な実施例をあげて説明する。ブーム操作量が小さくて安全対策回路の開口が絞られている場合に、ブーム保持圧が適正であれば、安全対策回路の開口を大きくしてエネルギ回生ができるようにするという目的を達成するために、本発明はブーム保持圧を検出するブーム保持圧検出手段と、ブーム下げパイロット圧とブーム保持圧とに対応して前記安全対策回路へ操作圧を導出して絞りを開口させる機能解除回路とを設け、ブーム下げ操作時にブーム保持圧が所定値以上である場合は、前記機能解除手段からの操作圧を高くして前記安全対策回路の絞りの開口を大にしたことにより実現した。
図1はブーム付き建設機械の一例として油圧ショベル10を示し、下部走行体11の上に旋回機構12を介して上部旋回体13が旋回自在に載置されている。上部旋回体13にはその前方一側部にキャブ14が設けられ、且つ、前方中央部にブーム15が俯仰可能に取り付けられている。更に、ブーム15の先端にアーム16が上下回動自在に取り付けられ、該アーム16の先端にバケット17が取り付けられている。
また、上部旋回体13とブーム15の中間部はブームシリンダ18にて接続され、後述する油圧回路から圧油が供給されてブームシリンダ18が伸長するとブーム15が上昇し、ブームシリンダ18が収縮するとブーム15が下降する。
図2はブームシリンダ18を駆動する油圧回路を示し、油圧ポンプ19から吐出される圧油は、コントロール弁20によって流量および方向が制御され、油路L1または油路L2を通ってブームシリンダ18のロッド側18aまたはボトム側18bに供給される。ボトム側の油路L2には、安全対策回路30と機能解除回路40とブーム保持圧検出手段である圧力センサ50とパイロット操作形の逆止弁51が設けられ、さらに、該逆止弁51と前記コントロール弁20の二次側ポートの間から、回生用の油路L3を分岐して回生回路60が設けられている。
前記安全対策回路30は、ポペット31にて油路L2を絞って遮断する保持弁32と、該保持弁32の絞りを開口させる切換弁33とからなり、該切換弁33はノーマル状態で(ニ)位置にある。後述するように、機能解除回路40からの操作圧が油路L4を通って安全対策回路30へ導入されると、該切換弁33が(ニ)位置から(ホ)位置へ切り換わり、さらに、前記機能解除回路40からの操作圧の増加によって(ヘ)位置に切り換わり、保持弁32の絞りが開口される。
一方、前記機能解除回路40は、ブーム下げパイロット圧Pの付加があったときにブーム下げラインの戻り油を導入する第1切換弁41と、該第1切換弁41から導入されたブーム保持圧に応じて、前記ブーム下げパイロット圧Pまたはブーム下げパイロット圧Pよりも高い油圧源22からの圧油の何れかを油路L4へ通過させて前記安全対策回路30へ操作圧を導出する第2切換弁42とから構成されている。
また、前記回生回路60は、エネルギ回生用の油圧モータ61と、該油圧モータ61の回転によって駆動される発電機62と、回生回路60への油路L3を開閉する開閉弁63と、該開閉弁63のパイロット制御部へ油圧源22の圧油を供給または遮断する電磁弁64とから構成されている。
次に、上記油圧回路の作動を説明する。図2に示すように、前記コントロール弁20が中立位置(イ)では、油路L1およびL2は閉止され、油圧ポンプ19の吐出油がタンク21へ戻る。したがって、ブームシリンダ18は伸縮が固定された状態となる。
前記コントロール弁20が中立位置(イ)では、ブーム下げパイロット圧Pが発生しないため、機能解除回路40の第1切換弁41は(ト)位置にあり、第2切換弁42は(リ)位置にあって、機能解除回路40から油路L4に操作圧は導出されない。したがって、安全対策回路30の切換弁33が(ニ)位置にあって、保持弁32はバネ34の付勢により閉止状態となっている。また、回生回路60の電磁弁64がオフで、開閉弁63は(ル)位置にあるため、油圧モータ61が回転せず発電機62による発電は行われない。
ブーム上げ操作時は、図3に示すように、ブーム上げパイロット圧により前記コントロール弁20が(ロ)位置に切り換わり、油圧ポンプ19の吐出油が油路L2へ導出され、逆止弁51および安全対策回路30の保持弁32を押し開いてブームシリンダ18のボトム側18bへ供給される。ブームシリンダ18のロッド側18aの圧油は、油路L1を通ってコントロール弁20の(ロ)位置からタンク21に戻る。かくして、ブームシリンダ18が伸長してブーム15が上昇する。
これに対して、ブーム下げ操作時は、図4に示すように、ブーム下げパイロット圧Pにより前記コントロール弁20が(ハ)位置に切り換わり、油圧ポンプ19の吐出油が油路L1を通ってブームシリンダ18のロッド側18aへ供給される。ブームシリンダ18のボトム側18bの圧油は、安全対策回路30の保持弁32により絞られて油路L2へ導出され、ブーム下げパイロット圧Pの作用で開かれた逆止弁51を通って、コントロール弁20の(ハ)位置からタンク21に戻る。かくして、ブームシリンダ18が収縮してブーム15が下降する。
ここで、ブーム下げ操作時における、安全対策回路30および機能解除回路40の作動をさらに説明する。
[A1]ブーム下げパイロット圧Pが所定値未満の場合
ブーム下げ操作量が小さくて、ブーム下げパイロット圧Pが所定値未満である場合でも、図4に示すように、ブーム下げパイロット圧Pによって機能解除回路40の第1切換弁41が(チ)位置に切り換わり、ブーム下げラインの戻り油が油路L2およびL5から機能解除回路40に導入される。
(A1−1)このとき、戻り油路L2およびL5の油圧が所定値未満の低圧である場合は、第1切換弁41の(チ)位置を通過して第2切換弁42のパイロット制御部へ作用するパイロット圧も低いので、第2切換弁42は(リ)位置を保持する。したがって、ブーム下げパイロット圧Pが、第2切換弁42の(リ)位置および油路L4を介して、操作圧として安全対策回路30へ導出され、安全対策回路30の切換弁33のパイロット制御部へ作用して、該切換弁33を(ホ)位置に切り換える。
しかし、この場合も前記保持弁32は絞りが閉じられた状態を維持し、ブームシリンダ18のボトム側18bの圧油は、保持弁32のポペット31の小径部に設けられている環状溝35及び切換弁33の(ホ)位置を介して油路L2に導出されるが、切換弁33の(ホ)位置に設けられている絞りでの圧力損失のため、油路L2に流れるブーム下げラインの戻り油により回生回路60でエネルギ回生を行うことはできない。
(A1−2)一方、戻り油路L2およびL5の油圧が所定値以上の高圧になった場合は、図5に示すように、第1切換弁41の(チ)位置を通過して第2切換弁42のパイロット制御部へ作用するパイロット圧が高くなり、第2切換弁42は(ヌ)位置に切り換わる。したがって、ブーム下げパイロット圧Pよりも高圧である油圧源22の圧油が、第2切換弁42の(ヌ)位置および油路L4を介して、操作圧として安全対策回路30へ導出され、安全対策回路30の切換弁33のパイロット制御部へ作用して、該切換弁33を(ヘ)位置に切り換える。かくして、保持弁32のバネ34側の圧力が下がり、戻り油路L2の油圧によってポペット31が図中左方向へ移動し、保持弁32の絞りが開口された状態となる。
このように、ブーム下げ操作量が小さくて、ブーム下げパイロット圧Pが所定値未満である場合でも、戻り油路L2およびL5の油圧が所定値以上の高圧である場合、すなわち、ブーム保持圧が所定値以上ある場合は、安全対策回路30の機能が解除されて、絞りでの圧力損失が低減する。
したがって、ブーム下げラインの戻り油の流量が増加し、図5に示すように、回生回路60の電磁弁64をオンして開閉弁63を(ヲ)位置に切り換えれば、油路L2の戻り油が油路L3から回生回路60へ導入され、油圧モータ61が回転して発電機62による発電が行われ、ブーム下げ操作量が小さい場合でもブーム下げラインの戻り油をエネルギ回生することができる。
[A2]ブーム下げパイロット圧Pが所定値以上の場合
これに対して、ブーム下げ操作量が大きくて、ブーム下げパイロット圧Pが所定値以上である場合は、図6に示すように、ブーム下げパイロット圧Pによって機能解除回路40の第1切換弁41が(チ)位置に切り換わり、ブーム下げラインの戻り油が油路L2およびL5から機能解除回路40に導入される。
(A2−1)このとき、戻り油路L2およびL5の油圧が所定値未満の低圧である場合は、第1切換弁41の(チ)位置を通過して第2切換弁42のパイロット制御部へ作用するパイロット圧も低いので、第2切換弁42は(リ)位置を保持する。この場合は、第2切換弁42の(リ)位置および油路L4を介して、ブーム下げパイロット圧Pが操作圧として安全対策回路30へ導出されるが、ブーム下げパイロット圧Pが所定値以上の高圧であるため、安全対策回路30の切換弁33のパイロット制御部へ高圧が作用して、該切換弁33を(ヘ)位置に切り換える。かくして、保持弁32の絞りが開口された状態となる。
(A2−2)一方、戻り油路L2およびL5の油圧が所定値以上の高圧になった場合は、第1切換弁41の(チ)位置を通過して第2切換弁42のパイロット制御部へ作用するパイロット圧が高くなり、第2切換弁42は(ヌ)位置に切り換わる。したがって、図5に示した構成と同様に、高圧である油圧源22の圧油が、第2切換弁42の(ヌ)位置および油路L4を介して、操作圧として安全対策回路30へ導出され、安全対策回路30の切換弁33のパイロット制御部へ作用して、該切換弁33を(ヘ)位置に切り換える。かくして、保持弁32の絞りが開口された状態となる。
このように、ブーム下げ操作量が大きくて、ブーム下げパイロット圧Pが所定値以上ある場合は、戻り油路L2およびL5の油圧の大きさにかかわらず、ブーム保持圧が急低下しない限り、安全対策回路30の機能が解除されて、絞りでの圧力損失が低減する。
したがって、ブーム下げラインの戻り油の流量が増加し、図5または図6に示すように、回生回路60の電磁弁64をオンして開閉弁63を(ヲ)位置に切り換えれば、油路L2の戻り油が油路L3から回生回路60へ導入され、油圧モータ61が回転して発電機62による発電が行われ、ブーム下げラインの戻り油をエネルギ回生することができる。
次に、油圧ホースが破損して圧油が漏れた場合の油圧回路の作動を説明する。
[B1]中立時またはブーム上げ操作時の場合
図2に示すように、前記コントロール弁20が中立位置(イ)の場合、ブーム下げパイロット圧Pが発生しないので、安全対策回路30の切換弁33のパイロット制御部にパイロット圧が作用せず、前記切換弁33は(ニ)位置を保持し、また、図3に示すように、前記コントロール弁20が(ロ)位置に切り換わってブーム上げ操作時の場合は、油圧ホースの破損によりL2に圧力が発生しないため、保持弁32を開くことができない。
したがって、ブーム保持側ホースが破損して油路L2から圧油が漏れたとしても、前記保持弁32が閉じているため、ブームシリンダ18のボトム側18bの圧油が流出することはなく、ブーム15の降下を防止できる。
[B2]ブーム下げ操作時の場合
図4に示すように、前記コントロール弁20が(ハ)位置に切り換わってブーム下げ操作時の場合は、ブーム下げパイロット圧Pによって機能解除回路40の第1切換弁41が(チ)位置に切り換わり、ブーム下げラインの戻り油が油路L2およびL5から機能解除回路40に導入される。
このブーム下げ操作状態でブーム保持側ホースが破損した場合は、油路L2から圧油が漏れて油圧が急激に低下し、第1切換弁41の(チ)位置を通過して第2切換弁42のパイロット制御部へ作用するパイロット圧も低下するので、第2切換弁42は(リ)位置に切り換わる。したがって、ブーム下げパイロット圧Pが、第2切換弁42の(リ)位置および油路L4を介して、操作圧として安全対策回路30へ導出され、安全対策回路30の切換弁33のパイロット制御部へ直接作用する。
図7は、切換弁33のパイロット制御部に作用するブーム下げパイロット圧Pの大きさと、該切換弁33の開口面積Sの変化の関係を示すグラフであり、ブーム下げパイロット圧Pが所定範囲(P0〜P1)未満の場合と、所定範囲(P0〜P1)を超えている場合とでは、前記安全対策回路30の作動が異なってくる。
(B2−1)ブーム下げパイロット圧Pが所定範囲(P0〜P1)未満の低圧の場合は、図4に示すように、低圧のブーム下げパイロット圧Pが、安全対策回路30の切換弁33のパイロット制御部へ直接作用し、該切換弁33が(ホ)位置に切り換わって保持弁32が閉じられる。この状態でブーム保持側ホースが破損した場合は、ブームシリンダ18のボトム側18bの圧油は、保持弁32のポペット31に設けられた環状溝35及び切換弁33の(ホ)位置を介して油路L2へ流れて外部へ噴出するが、切換弁33の(ホ)位置の絞りによって流量が絞られるため、ブーム15は徐々に降下して、急激な落下を防止できる。
(B2−2)ブーム下げパイロット圧Pが所定範囲(P0〜P1)を超えている高圧の場合は、図8に示すように、高圧のブーム下げパイロット圧Pが、安全対策回路30の切換弁33のパイロット制御部へ直接作用し、該切換弁33が(ヘ)位置に切り換わって保持弁32が開口される。この状態でブーム保持側ホースが破損した場合は、ブームシリンダ18のボトム側18bの圧油が油路L2へ流れて外部へ大量に噴出するため、ブーム15は急激に降下する。
したがって、この場合は、前記圧力センサ50で戻り油路L2の圧力を検出し、検出した油圧が所定値以下または急激に低下した場合は、前記安全対策回路30の切換弁33を強制的に(ホ)位置または(ニ)位置へ切り換えて、前記保持弁32を閉じるように制御することにより安全性を増すことができる。
(B2−3)ブーム下げパイロット圧Pが所定範囲(P0〜P1)の領域にある場合は、安全対策回路30の切換弁33が(ホ)位置と(ヘ)位置の間での移行段階であり、この状態でブーム保持側ホースが破損した場合は、上記(B2−1)と(B2−2)の中間的作動が行われる。
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然であり、例えば、機能解除回路40に替えて安全対策回路30の切換弁33を直接電磁比例弁で制御することも可能である。
本発明が適用された油圧ショベルの側面図。 本発明に係る油圧回路で中立状態を示す説明図。 本発明に係る油圧回路でブーム上げ操作状態を示す説明図。 本発明に係る油圧回路でブーム下げ操作状態時にブーム下げパイロット圧が所定値未満かつブーム保持圧が所定値未満での状態を示す説明図。 本発明に係る油圧回路でブーム下げ操作時にブーム保持圧が所定値以上での状態を示す説明図。 本発明に係る油圧回路でブーム下げ操作時にブーム下げパイロット圧が所定値以上かつブーム保持圧が所定値未満での状態を示す説明図。 本発明に係る油圧回路でブーム下げパイロット圧と安全対策回路の切換弁の開口面積との関係を示すグラフ。 本発明に係る油圧回路でブーム下げ操作時にブーム下げパイロット圧が所定値以上かつブーム保持圧が所定値以上での状態を示す説明図。
符号の説明
10 油圧ショベル
15 ブーム
18 ブームシリンダ
18a ロッド側
18b ボトム側
19 油圧ポンプ
20 コントロール弁
21 タンク
22 油圧源
30 安全対策回路
32 保持弁
33 切換弁
40 機能解除回路
41 第1切換弁
42 第2切換弁
50 圧力センサ(ブーム保持圧検出手段)
51 逆止弁
60 回生回路
L1〜L5 油路

Claims (2)

  1. 油圧ホース破損時にブーム下げラインの戻り油を絞って遮断する安全対策回路を備えるとともに、ブーム下げラインの戻り油を用いて油圧モータを回転して発電機により発電を行うことでエネルギ回生する回生回路を備えたブーム付き建設機械において、
    ブーム保持圧を検出するブーム保持圧検出手段と、ブーム下げパイロット圧とブーム保持圧とに対応して前記安全対策回路へ操作圧を導出して絞りを開口させる機能解除回路とを設け、
    ブーム下げ操作時にブーム保持圧が所定値以上である場合は、前記機能解除回路からの操作圧を高くして前記安全対策回路の絞りの開口を大にし、前記安全対策回路の絞りから導出される戻り油を用いて前記油圧モータを回転して前記発電機により発電することを特徴とするブーム付き建設機械の油圧回路。
  2. 前記機能解除回路はブーム下げパイロット圧の付加によりブーム下げラインの戻り油を導入する第1切換弁と、該第1切換弁から導入されたブーム保持圧に応じて前記ブーム下げパイロット圧またはブーム下げパイロット圧よりも高い圧油の何れかを通過させて前記安全対策回路へ操作圧を導出する第2切換弁とからなり、
    前記安全対策回路はポペットにて油路を絞って遮断する保持弁と、前記機能解除回路から導入される操作圧の増加に伴い前記保持弁の絞りを開口させる切換弁とを有したことを特徴とする請求項1記載のブーム付き建設機械の油圧回路。
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