JP4871843B2

JP4871843B2 - 建設機械のブーム駆動回路

Info

Publication number: JP4871843B2
Application number: JP2007299848A
Authority: JP
Inventors: 隆久保; 公則佐野; 寛石山
Original assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-11-19
Also published as: JP2009127643A

Description

この発明は、建設機械のブーム駆動回路に関するものであり、特に、ブーム下げ時におけるエネルギーの回生機構を備えた建設機械のブーム駆動回路に関するものである。

油圧ショベルや油圧クレーンなどの建設機械には、ブーム等の下げ時においてその重量エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電池へ蓄えるエネルギー回生機構を備えたものが知られている。

例えば、特許文献１記載の油圧シリンダ回路は、電動モータによって駆動される正転／逆転可能な一つの油圧ポンプモータと油圧シリンダを、方向制御弁を介して接続し、油圧ポンプモータから油圧シリンダのヘッド側油室またはロッド側油室へ作動油供給を切り換えることにより、油圧シリンダを伸縮させる回路において、油圧シリンダ収縮時（油圧ポンプモータ逆転時）に、ブームなどの重量によって油圧シリンダのヘッド側油室にかかる圧力により、油圧ポンプモータに印加される逆転駆動力を電動モータで電気エネルギーに変換して蓄電池へ戻している。

特許文献２記載の油圧シリンダ駆動装置は、電動モータによって駆動される正転／逆転可能な一つの油圧ポンプモータと油圧シリンダを直結し、油圧シリンダの伸縮は油圧ポンプモータの回転方向の切換えによっており、回路構成は相違するものの、その作用は類似していて、油圧シリンダ収縮時にブームの重量エネルギーによって油圧シリンダのヘッド側油室にかかる圧力により、油圧ポンプモータに印加される逆転駆動力を電動モータで電気エネルギーに変換して蓄電池へ戻している。

特許文献３記載のエネルギーの回生装置は、「ブームを下げるときにおけるブームシリンダからの戻り油ラインを２本の油路に分流する分岐部と、分流された一方を、回生手段を介してタンクに導く回生回路と、分流された他方を、流量調整手段を介してタンクに導く流量調整回路」を備えており、言換えれば、二系統の油圧ラインがブームシリンダのヘッド側油室へ接続されていて、一方の油圧ラインには方向制御弁を介して油圧ポンプまたは油圧モータが接続され、他方の油圧ラインには方向制御弁を介して油圧ポンプまたはタンクが接続される。

ブームを上げる際は、二系統の油圧ラインのそれぞれの油圧ポンプからの作動油がブームシリンダのヘッド側油室へ供給されてブームシリンダが伸長し、ブームが上昇する。

ブームを下げる際は、ブームシリンダのヘッド側油室から二系統の油圧ラインへ作動油が分流され、一方の油圧ラインでは油圧モータとこの油圧モータに連結された発電機が駆動されて発電が行われ、蓄電池が充電されるとともに、他方の油圧ラインを通じて作動油がタンクへ還流する。
特開2003-74517号公報特開2005-315312号公報特開2006-312995号公報

特許文献１や２記載の技術は、一組の電動モータと油圧ポンプモータとにより油圧シリンダの駆動とエネルギーの回生を行うもので、シンプル且つ小型にできるという利点はある。しかしながら、油圧シリンダ駆動用の油圧ポンプモータでエネルギー回生を行うものは、油圧ポンプとしての性能と油圧モータとしての性能を高水準で両立させることが難しく、エネルギー回生性能をある程度の水準で妥協しなければならず、エネルギー回生の効率に不満がある。また、油圧ポンプモータの回転方向を切換えることによって、油圧シリンダの伸縮を切換える構成は、油圧ポンプをエンジンで駆動する構成に適用することは困難で、実際には正転逆転の切替えが容易な電動モータで駆動するものに限られる。

特許文献３記載の技術においては、油圧ポンプ駆動源の制限はないが、ブームシリンダのヘッド側油室へ接続される二系統の油圧ラインの両方に方向制御弁と油圧ポンプを備え、一方の油圧ラインにはさらに油圧モータ並びに発電機が接続されていて、特許文献１、２記載の構成よりも複雑であり、部品点数も多い。また、ブームシリンダを収縮する際も油圧ポンプを駆動してブームシリンダのロッド側油室へ作動油を供給する必要があり、回生時にも油圧ポンプの駆動エネルギーを消費していることになる。

以上のように、従来技術ではエネルギー回生効率を改善すべき課題があり、本発明はモータ駆動かエンジン駆動かにかかわらず、エネルギー回生効率を向上することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するために提案するものであり、請求項１記載の発明は、油圧ポンプに駆動されて建設機械のブームを上げ下げする油圧シリンダのヘッド側油室を、油圧モータの作動油入口へ制御弁を介して接続し、前記油圧モータの作動油出口と前記油圧シリンダのロッド側油室とをチェック弁を介して管路接続し、ブーム下げ操作時に前記制御弁を開く制御機構を備え、ブーム下げ操作時に前記制御弁を開いて、前記油圧シリンダのヘッド側油室の作動油により前記油圧モータを回転駆動し、前記油圧モータを通過した作動油を前記油圧シリンダのロッド側油室への供給分と前記制御弁を介してタンクへ戻る分とに分流させて、前記油圧モータに連結した発電機により、前記油圧モータの回転を電力に変換して電気エネルギーを回生するように構成した建設機械のブーム駆動回路を提供するものである。

上記の構成においては、ブーム下げ操作時に、ブームの自重による荷重がかかっている油圧シリンダのヘッド側油室から油圧モータへ作動油が流れ、油圧モータ及び発電機が回転して電気エネルギーが回生される。油圧モータを通過した作動油はそのまま油圧シリンダのロッド側油室へ吸い込まれて、低損失で油圧モータが回転し、効率的にエネルギーが回生される。

請求項２記載の発明は、ブーム下げ操作時に、前記油圧ポンプの吐出量を最小レベルに低下させる制御手段を備えた請求項１記載の建設機械のブ―ム駆動回路を提供するものである。

上記の構成においては、ブーム下げ操作時に、油圧ポンプは殆ど作動油を吐出しないので、消費エネルギーが最小限となる。

請求項３記載の発明は、ブームの押し下げ反力により建設機械の車体を浮上させるジャッキアップ時に、ブームの接地時点における前記油圧シリンダのヘッド側油室の圧力低下を検出して、前記油圧ポンプの吐出量を所望の吐出量へ増大するとともに、前記発電機の電磁誘導負荷を解除して、電磁誘導による前記発電機の回転抵抗及び前記発電機に連結された前記油圧モータによる圧力損失を低減するように構成した請求項１記載の建設機械のブーム駆動回路を提供するものである。

上記の構成においては、ジャッキアップ操作時に、ブーム及びバケットなどが接地するまでは自重により下降し、接地した時点で接地を検出して油圧ポンプの吐出量が操作レバーの操作量に応じた所望の吐出量に増大するので、ジャッキアップ操作が可能になる。また、ジャッキアップ時には発電機が電気的に切り離されて駆動負荷が軽減する。

請求項１記載の発明は、ブーム下げを自重で行い、このとき油圧モータを回転させて電力を回生し、油圧モータからブームシリンダのロッド側油室へ作動油をもどすので、油圧ポンプの駆動エネルギーがかからず、エネルギー回生効率が良好である。

請求項２記載の発明は、ブーム下げ操作時に油圧ポンプの吐出量が最小レベルに低下されるので、油圧ポンプの駆動負荷がかからず、消費エネルギーが節減されてエネルギー回生効率がさらに向上する。また、ブーム下げ起動時にロッド側油室へ油圧ポンプの押込み圧が立たないため、起動ショックを軽減できる。

請求項３記載の発明は、ジャッキアップ操作時に、ブーム及びバケットなどが接地するまでは自重により下降し、接地した時点で接地を検出して油圧ポンプの吐出量が所望の吐出量に増大してジャッキアップされるので、エネルギー回生を行うブーム下降とジャッキアップとを特別な操作を必要とせず連続的に実行でき操作性が良い。また、ジャッキアップ時には発電機が電気的に切り離されることにより、駆動負荷が軽減して効率的である。

この発明は、油圧ポンプに駆動されて建設機械のブームを上げ下げする油圧シリンダのヘッド側油室を、油圧モータの作動油入口へ制御弁を介して接続し、前記油圧モータの作動油出口と前記油圧シリンダのロッド側油室とをチェック弁を介して管路接続し、ブーム下げ操作時に前記制御弁を開く制御機構を備え、ブーム下げ操作時に前記制御弁を開いて、油圧シリンダのヘッド側油室の作動油により油圧モータを回転駆動し、油圧モータを通過した作動油を油圧シリンダのロッド側油室への供給分と制御弁を介してタンクへ戻す分とに分流させて、前記油圧モータに連結した発電機により、油圧モータの回転を電力に変換して電気エネルギーを回生するように構成することにより、エネルギー回生効率の良好な建設機械のブーム駆動回路を提供するという目的を達成した。

図１は建設機械の一例として油圧ショベル1を示し、クローラ2を備えた下部走行体3の上に上部旋回体4が搭載されている。上部旋回体4の前部は運転室5でその後部はエンジン、油圧機関などを収めた機関室6であり、機関室6の後端にカウンタウェイト7が装着されている。運転室5の横にはブーム8の支点（図示せず）が設けられていて、この支点に取付けたブーム8の先端にアーム9、アーム9の先端にバケット10がそれぞれ取付けられている。ブーム8と上部旋回体4、ブーム8とアーム9、バケット10に取付けられたバケットリンク11とアーム9との間には、それぞれ油圧シリンダ12，13，14が介装されており、これらの油圧シリンダ12，13，14を伸縮することにより、ブーム8とアーム9とバケット10がそれぞれの枢着支点を中心に回動する。

図２はブーム駆動用の油圧シリンダ12（以下、ブームシリンダ12という）の駆動回路及びこれに付随するエネルギー回生回路を示し、ブームシリンダ12のヘッド側油室12aとロッド側油室12bはそれぞれ３位置方向制御弁であるメインコントロールバルブ15へ接続されており、メインコントロールバルブ15のヘッド側油室12aへの油路にはパイロットチェック弁16が設けられている。

メインコントロールバルブ15のスプールは、図２において中央の初期位置が閉位置aで、パイロット圧に応じて、右側の伸長位置bまたは左側の収縮位置cへ切換わる。閉位置aでは可変容量式の油圧ポンプ17の吐出流量はアイドリングレベルに制御され、作動油はメインコントロールバルブ15及び絞り弁18を通じてタンク19へ戻る。

ブームシリンダ12のヘッド側油室12aとメインコントロールバルブ15を接続する管路20は途中で分岐して、方向制御弁21（以下、エネルギー回生弁21という）へ接続しており、エネルギー回生弁21は電磁比例制御弁22によりパイロット制御されて切換わる。エネルギー回生弁21の下流には油圧モータ23が配置されていて、油圧モータ23の作動油出口は、チェック弁24を備えた管路25を通じてブームシリンダ12のロッド側油室12bへ接続している。

油圧モータ23は発電機26に連結されており、発電機26が出力する電力はインバータ27にて電圧変換されて直流に変換され、蓄電池（図示せず）を充電する。図２において左下のコントローラ28には、ブームシリンダ12のヘッド側の管路圧、メインコントロールバルブ15のシリンダ収縮側パイロットポート15bのパイロット圧、発電機26の回転数などの信号が、それぞれ圧力センサ29，30、回転数センサ31を通じて入力され、これらの信号に応じてエネルギー回生弁21の制御、インバータ27のオンオフ制御を行う。

運転室5内のブーム操作レバー（図示せず）を上げ側へ操作すると、メインコントロールバルブ15の伸長側パイロットポート15aへパイロット圧がかかり、操作レバーの操作量に応じてメインコントロールバルブ15のスプールが図２において左へ移動し、伸長位置bへ切換わる。このとき、エネルギー回生弁21は図の閉じ位置にあって、油圧ポンプ17が吐出する作動油の全量がブームシリンダ12のヘッド側油室12aへ供給されて、シリンダロッドが伸長し、ロッド側油室12b内の作動油はメインコントロールバルブ15を通じてタンク19へ戻る。

上記とは逆に、ブーム操作レバーを下げ側へ操作すると、メインコントロールバルブ15の収縮側パイロットポート15bへパイロット圧がかかり、図３に示すように、メインコントロールバルブ15のスプールが収縮位置へ切換わるとともに、メインコントロールバルブ15の油路中のパイロットチェック弁16が開いて、ブームシリンダ12のヘッド側油室12aがメインコントロールバルブ15を通じてタンク19と連通する。また、上記のパイロット圧の変化が圧力センサ29により検出され、その信号によりコントローラ28が電磁比例制御弁22を介してエネルギー回生弁21を開位置へ切り換える。

ブームシリンダ12のヘッド側油室12aには、ブーム8及びアーム9、バケット10などの重量による圧力がかかっており、この荷重によりヘッド側油室12aの作動油がエネルギー回生用の油圧モータ23へ導入されて油圧モータ23及び発電機26を回転駆動する。これにより、発電機26が発電した電力はインバータ27により電圧変換されたのちに直流に変換されて蓄電池（図示せず）を充電する。コントローラ28は回転数センサ31を介して発電機26の回転速度を監視しており、電磁比例制御弁22を介してエネルギー回生弁21の開度を調整して、発電機26の回転速度を適正範囲内に制御する。

油圧モータ23を通過した作動油は、管路25、チェック弁24を通じてブームシリンダ12のロッド側油室12bへと供給分と制御弁を介してタンクへ戻る分とに分流する。したがって、ブーム下げ時には油圧ポンプ17の吐出が不要であり、油圧ポンプ17の吐出流量を最低限に制御することによって、ブーム下げ起動時にブームシリンダ12のロッド側油室12bに作動油の押込み圧が立たないため、ショックが殆ど生じない。ブームシリンダ12のロッド側油室12bはロッドが存在することでヘッド側油室12aよりも断面積が小さいため、ヘッド側油室12aから排出される油量よりもロッド側油室12bへ流入する油量のほうが少ない。そこで油圧モータ23を通過した作動油は各部圧力に応じて分流される。制御弁の開口を絞ることでシリンダロッド側への油量を増やすことも可能である。以上のように、通常のブーム下げ時には油圧ポンプ17は殆ど作動油を排出せず、油圧ポンプ17の駆動エネルギーを省力化している。

図１の状態からブーム8を下げてバケット10を接地させ、さらにブーム8を下げて油圧ショベル1の車体の前部をジャッキアップする場合においては、油圧ポンプ17を駆動することが必要になる。この場合、ブーム操作レバーを下降状態に保持していると、バケット10が接地した時点でブームシリンダ12にブーム8の荷重がかからなくなるため、ブームシリンダ12のヘッド側油室12aの油圧が低下する。コントローラ28は油圧センサ29を介してこの圧力変化を検知し、油圧ポンプ17の吐出流量を上げるとともに、インバータ27をオフする。

油圧ポンプ17からブームシリンダ12のロッド側油室12bへ作動油が供給され、ブームシリンダ12がさらに収縮して車体の前部がジャッキアップされる。このとき、インバータ27はオフで、発電機26が電気的に遮断されていることから、発電機26の電磁誘導起電力による回転負荷がなく、油圧モータ23の回転抵抗が低下しているので、ブームシリンダ12のヘッド側油室12aの排出抵抗が減少してロッド側油室12bに圧力がたたず、圧力損失が少ない状態でジャッキアップすることができる。

尚、ここでは、建設機械として油圧ショベルを例にとり、大きなエネルギーの回生が期待できるブームシリンダに適用した場合を例にとって説明下が、上記の実施形態に限定するものではなく、他の形式の建設機械或いは油圧機械に適用することも可能である。また、この発明の技術的範囲内において種々の改変が可能であり、この発明がそれらの改変されたものに及ぶことは当然である。

油圧ショベルの側面図。本発明のブーム駆動回路の油圧回路図。図２のブーム駆動回路のブーム下げ操作時の状態を示す油圧回路図。

符号の説明

１油圧ショベル
８ブーム
９アーム
１０バケット
１２ブームシリンダ（油圧シリンダ）
１５メインコントロールバルブ
１６パイロットチェック弁
１７油圧ポンプ
１９タンク
２１エネルギー回生弁
２２電磁比例制御弁
２３油圧モータ
２４チェック弁
２６発電機
２７インバータ
２８コントローラ
２９圧力センサ
３０圧力センサ
３１回転数センサ

Claims

油圧ポンプに駆動されて建設機械のブームを上げ下げする油圧シリンダのヘッド側油室を、油圧モータの作動油入口へ制御弁を介して接続し、前記油圧モータの作動油出口と前記油圧シリンダのロッド側油室とをチェック弁を介して管路接続し、ブーム下げ操作時に前記制御弁を開く制御機構を備え、ブーム下げ操作時に前記制御弁を開いて、前記油圧シリンダのヘッド側油室の作動油により前記油圧モータを回転駆動し、前記油圧モータを通過した作動油を前記油圧シリンダのロッド側油室への供給分と前記制御弁を介してタンクへ戻る分とに分流させて、前記油圧モータに連結した発電機により、前記油圧モータの回転を電力に変換して電気エネルギーを回生するように構成した建設機械のブーム駆動回路。
ブーム下げ操作時に、前記油圧ポンプの吐出量を最小レベルに低下させる制御手段を備えた請求項１記載の建設機械のブーム駆動回路。
ブームの押し下げ反力により建設機械の車体を浮上させるジャッキアップ時に、ブームの接地時点における前記油圧シリンダのヘッド側油室の圧力低下を検出して、前記油圧ポンプの吐出量を所望の吐出量へ増大するとともに、前記発電機の電磁誘導負荷を解除して、電磁誘導による前記発電機の回転抵抗及び前記発電機に連結された前記油圧モータによる圧力損失を低減するように構成した請求項１記載の建設機械のブーム駆動回路。