JP4879551B2 - 作業機械のブームエネルギの回生装置及びエネルギの回生装置 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械等の作業機械のエネルギの回生装置、特に、ブームエネルギの回生装置に関する。

図５に、ブームシリンダを駆動するための代表的な油圧回路の要部を示す。ブームシリンダ１０は、作業者の操作レバー１４の操作に基づき、コントロール弁１６を介して制御される。コントロール弁１６は、図の２点鎖線で示した部分に相当しており、この例では、２つのスプール１８、２０を備えている。

第１のスプール１８は２位置４ポートの切換弁で、パイロットポートＰｐ１にパイロット圧が掛かったときにスプリング２２に抗して図のＢ位置からＡ位置に切り換るようになっている。第２のスプール２０は、３位置４ポートの切換弁で、パイロットポートＰｐ３側にパイロット圧が掛かったときに図のＤ位置、パイロットポートＰｐ４にパイロット圧が掛かったときに図のＦ位置、どちらのパイロットポートＰｐ３、Ｐｐ４にもパイロット圧が掛からなかったときに、スプリング２４、２６によって図のＥ位置に位置決めされるようになっている。

ブームシリンダ１０を伸長させるとき、すなわち図示せぬブームを上昇させるときは、油路Ｌ１にパイロット圧が発生することから、第１のスプール１８がＡ位置、第２のスプール２０がＤ位置にそれぞれ切り換り、油圧ポンプ３０、３２からの圧油がブームシリンダ１０のボトム側１２に供給される。

ブームシリンダ１０を収縮させるとき、すなわちブームを降下させるときには、操作レバー１４の操作により油路Ｌ２にパイロット圧が発生することから、第１のスプール１８がスプリング２２の付勢力によりＢ位置に、第２のスプール２０がＦ位置にそれぞれ切り換り、第２のスプール２０を介してブームシリンダ１０のボトム側１２の戻り油がドレンされるようになっている。

なお、図の符号３６は、ポペット３６Ａ付きの保持弁を示している。

一方、特許文献１において、メータアウト側（図５のＬ３相当のボトム側油路）に回生回路が形成され、戻り油によってポンプモータ（図示略）を駆動することによってブームシリンダ１０の回生エネルギを回収するように構成した建設機械が開示されている。

この回生回路は、図示せぬ切り換え弁によって切り換られるようになっており、掘削作業等を行う際には、該回生回路が開かれ、戻り油のエネルギが回収される。一方、微操作作業等を行う際には該回生回路は閉じられ、操作性が重視される。

特開２００３−３２９０１２号公報

上記建設機械においては、切り換え弁の切り換えは、モニタパネルにて選択された作業モードに依存して行われ、この切り換えによって回生運転、又は操作性重視の運転が切り換えられるようになっていた。

そのため、作業が繁雑であり、運転者によっては、切り換えを必ずしも適正に行わないことがあり、意図された回生ができないことがあるという問題があった。

これについては、作業状態を何らかの方法で検知あるいは判断し、この切り換えを自動的に行わせることも考えられるが、この場合には、運転者の意図せぬタイミングで切換がＯＮ−ＯＦＦ的に行われ、却って操作性が悪化することがあるという問題がある。

この本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであって、操作性の急変を招くことなく、エネルギ回生量の増大と操作性の向上を高度なレベルで両立させることができる作業機械のエネルギ回生装置、特にブームエネルギの回生装置を提供することをその課題としている。

本発明は、ブームを有する作業部を備え、コントロール弁の切り換えによってブームシリンダを伸長・収縮させ、前記ブームを駆動可能とした作業機械のブームエネルギの回生装置において、前記ブームを下げるときにおける前記ブームシリンダからの戻り油油路を２本以上の油路に分流する分岐部と、分流された一方を、回生位置と遮断位置とを切り換える切換弁及び該切換弁の下流に配置された油圧モータを介してタンクに導く回生回路と、分流された他方を、ポンプとシリンダとの間に配置され前記ブームシリンダへの油路を切り換えるスプールを備えた前記コントロール弁を介してタンクに導く回路と、を備え、且つ前記回生回路の中の前記切換弁を、前記コントロール弁の外側に配置したしたことにより、上記課題を解決したものである。

本発明によれば、ブームシリンダからのオイルの流れを２本の油路に分流し、その内の一方が、回生位置と遮断位置とを切り換える切換弁及び該切換弁の下流に配置された油圧モータを介してタンクに導く回生回路に常に連結されている。

この状態で、当該一方の回生回路と他方の回路に流出する戻り油の流量を制御することにより、ブーム降下速度を制御でき、操作性を向上させることができる。また、回生回路側に流出する戻り油の流量を多く設定することにより、エネルギの回生量を増大させることができる。なお、本発明では、分流された他方の回路によって分流の程度を調整することを基本とするが、回生回路側での流量調整を禁止するものではない。

更に、本発明においては、分流後の前記回生回路がコントロール弁の外部に配置されているため、既存の作業機械に対しては、例えばスプールを交換するというような簡単な手当てのみで、ブームエネルギの回生が可能な作業機械にグレードアップすることができる。また、既存、または新規に関わらず、ブームエネルギの回生に関して、その回生の程度などの設計、あるいは設計変更を非常に容易に行うことができるようになる。

本発明には種々のバリエーションが考えられる。

例えば、前記コントロール弁が、ブームシリンダが所定の位置に保持されているときに、その戻り油の流通を阻止する保持弁を備え、且つ前記分岐部が、該保持弁の下流位置で且つ当該コントロール弁のスプールの上流位置に配置されているようにすると良い。これにより、ブームエネルギの回生回路においてブームを保持するための保持弁を省略することができるようになり、回路をより簡素化できる（後述）。

更に、前記コントロール弁内に２以上のスプールが設けられ、且つその内の２以上のスプールにおいて、前記ブームシリンダからの戻り油油路から分岐された他方を流量制御する流量制御回路が設けられるような構成とすると、ブームエネルギの回生回路の容量が小さいような場合であっても、流量制御回路側の分流量の増減可能量を増大でき、また、ブームエネルギの回生回路の異常時の対応として、緊急時にコントロール弁のみでのブーム降下ができるようになる。

なお、本発明は、特にエネルギ回生の大きいブームシリンダに適用した場合に、最も顕著な効果が得られるが、その適用対象が敢えてブームシリンダのみに限定される必要はなく、回生が可能な種々の油圧シリンダの回生装置に適用可能であり、相応の効果が得られる。

単純な構成で、或いは設計変更で、既存、新規に関わらず、操作性の急変を招くことなく、回生量の増大と操作性の向上とを高度なレベルで両立させることができる。

以下図面に基づいて、本発明に係る作業機械のブームエネルギの回生装置の好適な実施形態の一例について詳細に説明する。

図４に本発明が適用された油圧ショベル（作業機械）８０の全体構成を示す。

油圧ショベル８０は、下部走行体８２、上部旋回体８４、及び作業部８６を備える。

作業部８６は、ブーム８８、アーム９０、バケット９２を備え、上部旋回体８４の運転室８５の横から片持ち状態でせり出している。作業部８６のブーム８８、アーム９０、バケット９２には、これら８８、９０、９２を駆動する油圧シリンダとして、それぞれブームシリンダ１０、アームシリンダ９４、バケットシリンダ９６が組み込まれている。本実施形態では、このうち特に、ブーム８８に組み込まれたブームシリンダ１０を収縮するときの戻り油油路（メータアウト側の油路）に対して本発明が適用されている。

以下、その油圧回路の要部について詳細に説明する。なお、理解を容易にするために、便宜上、図５を用いて説明した部分と同一又は類似する部分については、同一の符号を付すこととし、重複説明は適宜省略する。

この実施形態では、前記ブーム８８を下げるときにおけるブームシリンダ１０からの戻り油油路Ｌ４を分岐部４０において２本の油路Ｌ５、Ｌ６に分流している。分流した一方は油圧モータ４１及び発電機４２を介してタンク４４に導く回生回路ＲＥとされ、分流された他方はオリフィス（流量調整手段）４８を介してタンク４４に導く流量調整回路ＦＬとされている。回生回路ＲＥは、コントロール弁１６Ａの外側に配置されており、回生手段を構成する前記油圧モータ４１及び発電機４２のほか、保持弁５４、２位置切換弁５６、及びパイロット切換弁５８から主に構成されている。保持弁５４は、操作レバー１４の下降操作により発生するパイロット圧Ｐ１がパイロット切換弁５８を介して印加されたときにのみ油路が開かれるようになっている。２位置切換弁５６は、同じくパイロット圧Ｐ１がパイロットポートＰｐ５に印加されたときに、図のＨ側に切り換るようになっている。なお、パイロット切換弁５８は、操作レバー１４の下降操作がなされたときにスプリング６０に抗して図の位置に切り換る電磁弁である。なお、更に、定圧油圧源を１次圧とし、指令に応じた２次圧を発生する電磁比例減圧弁とすることで、流量調整機能を加えた２位置切換弁５６を制御すれば、発電機が制御不能な場合のフェールセーフ対応やオーバトルクを防止することが可能となる。

コントロール弁１６Ａ内は、３位置切換弁の機能を有する第２スプール２０ＡのＦ位置における構造が、先の従来例と異なっている。すなわち、先の従来例においては、第２スプール２０のＦ位置においては、ブームシリンダ１０のボトム側１２からの油路Ｌ３の戻り油が直接タンク４４にドレンされるようになっていたが、この実施形態では、分流後、油路Ｌ５、Ｌ３を通ってきた戻り油が、第２のスプール２０ＡのＦ位置に置いてオリフィス４８を介してタンク４４にドレンされるようになっている。

第２スプール２０Ａは、完全ブロック状態の中立位置Ｅを中心として、伸長位置Ｄ及び収縮位置Ｆに向けてアナログ的に（中間位置を含んで徐々に）切換可能である。従って、オリフィス４８は、この第２のスプール２０Ａの機能により、その流量が可変である。流量調整のためのパラメータは、この実施形態では操作レバー１４の動きによって発生するパイロット圧をそのまま用いているが、例えばブームシリンダ１０のトップ側１３の駆動圧を検出する油圧センサ（図示略）を設け、この駆動圧の情報を加味した上で流量調整がなされるようにすると、更にきめ細かな調整が可能である。

なお、図１の符号６２、６４は第１、第２油圧ポンプである。

次に、この回生装置の作用を説明する。

この図１の実施形態によれば、ブームシリンダ１０が伸長されるとき（ブーム８８が上げられるとき）は、操作レバー１４の動きに依存してパイロット圧が第１、第２スプール１８、２０ＡのパイロットポートＰｐ１及びＰｐ３に印加され、該第１、第２スプール１８、２０Ａは、伸長位置Ａ、Ｄにそれぞれ位置決めされる。このため、第１、第２油圧ポンプ６２、６４から吐出された圧油はそれぞれ油路Ｌ８、Ｌ３を介してポペット付保持弁３６に至る。ポペット付き保持弁３６では、この圧油によってポペット３６Ａが図の上方に押し上げられ、圧油は油路Ｌ５、Ｌ４を介してブームシリンダ１０のボトム側１２に供給されるため、該ブームシリンダ１０が伸長する。

なお、ブームシリンダ１０が伸長されるときは、油路Ｌ７にパイロット圧Ｐ１が発生しないため、保持弁５４が閉塞状態とされ、油路Ｌ６が閉じた状態とされる。従って、回生回路ＲＥは、特に機能しない。

操作レバー１４が操作されない中立状態にあるときは、各パイロット圧は全てタンク圧となり、第１、第２スプール１８、２０ＡのパイロットポートＰｐ１〜Ｐｐ４のいずれにもパイロット圧は導出されない。したがって、該第１、第２スプール１８、２０Ａは、スプリング２２、２４、２６の付勢力によりブロック位置Ｂ、Ｅに位置決めされる。このため、第１、第２スプール１８、２０Ａは全てブロック状態となり、オイルの移動が阻止される。

なお、この状態では、ポペット付き保持弁３６では、ポペット３６Ａの裏側に回り込んだ圧油の押圧力が（ポペット３６Ａの流入側と背面側の面積差のために）流入側よりも大きくなるため、該ポペット３６Ａがシート面３６Ｂに押し付けられた状態となっている。そのため、ポペット付き保持弁３６を介したオイルの移動が完全に阻止され、ブームシリンダ１０のそのときのシリンダ位置が保持されるようになっている。また、回生回路ＲＥの保持弁５４も閉じたままであるため、この場合も回生回路ＲＥは機能しない。

ブームシリンダ１０が収縮されるとき（ブーム８８が下げられるとき）は、操作レバー１４の動きに依存してパイロット圧が第２スプール２０ＡのパイロットポートＰｐ４に印加される。そのため、結局、該第１スプール１８は、スプリング２２の付勢力によってブロック位置Ｂに、第２スプール２０Ａは、収縮位置Ｆに位置決めされることになる。この結果、第２油圧ポンプ６４から吐出された圧油が第２スプール２０ＡのＦ位置を介して油路Ｌ９に至り、ブームシリンダ１０のトップ側１３に流入してブームシリンダ１０が収縮する。

ブームシリンダ１０の収縮に伴い、ブームシリンダ１０のボトム側１２に存在していた圧油は、油路Ｌ４を介して分岐部４０に至り、ここから油路Ｌ５及びＬ６に分流される。また、ブームシリンダ１０が収縮するときは、油路Ｌ７にパイロット圧Ｐ１が発生するようになるため、保持弁５４が開かれ、且つ、２位置切換弁５６は回生位置Ｈ側に切り換えられる。

この結果、油路Ｌ６側に分流された戻り油は、保持弁５４及び２位置切換弁５６の回生位置Ｈを介して油路Ｌ１０に流入し、油圧モータ４１を回転させる。このため、該油圧モータ４１に接続されている発電機４２が回転し、回生電力が図示せぬバッテリに蓄積される。

一方、油路Ｌ５側に分流された戻り油は、ポペット付き保持弁３６に流入し、それまで面積差によってシート面３６Ｂに押し付けられていたポペット３６Ａを押し上げるようになる。そのため、戻り油はポペット付き保持弁３６を通過することができ、油路Ｌ３を介して第２スプール２０ＡのＦ位置におけるオリフィス４８を通り、該オリフィス４８によってその流量が調整されながらタンク４４にドレンされる。

結局、ブーム８８を下げるときにおけるブームシリンダ１０からの戻り油は、分岐部４０において２本の油路Ｌ５、Ｌ６に分流され、油路Ｌ６側に分流された戻り油は、油圧モータ４１を介して発電機４２を駆動しながらタンク４４に導かれると共に、油路Ｌ５側に分流された戻り油は、（可変）オリフィス４８を介して流量調整されながらタンク４４に導かれることになる。

図５、図１を比較すれば明らかなように、この実施形態では、回生回路ＲＥをコントロール弁１６Ａの外側に設けているため、コントロール弁１６側では、その第２スプール２０を、そのＦ位置において可変オリフィス４８を備えたもの（２０Ａ）に変更するだけでよい。そのため、既存、新規のいずれの場合であっても、簡単な設計変更でブームシリンダ１０の回生エネルギを回収することができる。

図２に本発明の他の実施形態を示す。

この実施形態が先の実施形態と異なる点は、分岐部７０がポペット付保持弁３６の下流側（ブームシリンダ１０の戻り油の流れという観点で見た場合：第１、第２ポンプ６２、６４から見た場合は上流側）で、コントロール弁１６Ｂ内の第２スプール２０Ａの上流位置（同：第１、第２ポンプ６２、６４から見た場合は下流位置）に設定されていることである。戻り油はここで２本の油路Ｌ１１とＬ１２に分流される。また、保持弁５４が省略されている。

この結果、分岐部７０を挟んだＬ３→Ｌ１２の油路では、先の図１の実施形態と全く同様の構成が形成されるため、同様の作用がなされる。一方、Ｌ３→Ｌ１１の油路では、先の図１の実施形態における油路Ｌ６上の保持弁５４を省略した構成と同様の構成が形成される。保持弁５４が省略されても、ポペット付保持弁３６がその機能を兼用するため、図１の実施形態における作用とほぼ同等の作用が得られる。

このように、この実施形態に係る作業機械は、図１の実施形態における保持弁５４を省略することができ、全体の構成をより簡素化できる利点がある。

図３に本発明の更に他の実施形態を示す。

この実施形態は、図２に示した実施形態をベースとし、コントロール弁１６Ｃ内の第１スプール１８Ａを３位置切換弁の機能を有するスプールとした点に特徴がある。このため、該第１スプール１８ＡのパイロットポートＰｐ２には操作レバー１４をブーム下降側に操作したときに発生するパイロット圧が導入されている。

この第１スプール１８Ａは、操作レバー１４がブーム上昇側に操作されたときにＡ位置、操作レバー１４がブーム下降側に操作されたときにＣ位置、操作レバー１４がブーム保持の状態（上昇操作も下降操作もなされない状態）に維持されたときに、スプリング２１、２２によりＢ位置（ブロック位置）に保持されるようになっている。第２スプール２０Ａと同様に、この第１スプール１８Ａも、完全ブロック状態の中立位置Ｂを中心として、伸長位置Ａ及び収縮位置Ｃに向けてアナログ的に（中間位置を含んで徐々に）切換可能である。従って、オリフィス７４は、この第１のスプール１８Ａの機能により、その流量が可変である。

そのため、この実施形態では、分岐部が、図２の７０のほか、符号７２で示す位置にも形成されることになる。即ち、先ず分岐部７２によって第１流量調整回路ＦＬ１側（油路Ｌ１３）と回生回路ＲＥ側（油路Ｌ３）とに分流され、更に分岐部７０にて、第２流量調整回路ＦＬ２側（油路Ｌ１２）と回生回路ＲＥ側（油路Ｌ１１）とに分流される構成である。この結果、ブームシリンダ１０の収縮時には、第２スプール２０ＡのＦ位置のほか、第１スプール１８ＡのＣ位置においてもブームシリンダ１０のボトム側１２の戻り油を（流量調整しながら）ドレンさせることができるようになり、特に、回生回路ＲＥの容量が小さい場合に、流量調整回路ＦＬ（ＦＬ１＋ＦＬ２）側に流れる戻り油の量を増大できる。また、回生回路ＲＥ側に何らかの異常が発生した場合においても、コントロール弁１６Ｃ側のみでブーム８８を降下させることもできるようになる。

ブームを有する作業部を備え、ブームシリンダの伸長・収縮によって前記ブームを駆動可能な作業機械の回生装置に特に有効に適用可能である。しかしながら、本発明は、その適用対象を敢えてブームシリンダのみに限定する必要はなく、回生が可能な種々の油圧シリンダの回生装置に適用可能であり、相応の効果が得られる。

本発明に係るブームエネルギの回生装置の実施形態の一例の要望構成を示すスケルトン図 他の実施形態の要部構成を示すスケルトン図 更に他の実施形態の要部構成を示すスケルトン図 本発明が適用された油圧ショベル（作業機械）の全体構成を示す正面図 従来の代表的なブーム駆動用の油圧回路の要部構成を示す図スケルトン図

符号の説明

１２…ブームシリンダ
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ…コントロール弁
１８、１８Ａ…第１スプール
３６…ポペット付き保持弁
２０Ａ…第２スプール
４０、７０、７２…分岐部
８０…油圧ショベル
８８…ブーム
４８、７４…オリフィス（流量調整手段）
４１…油圧モータ（回生手段）
４２…発電機（回生手段）
４４…タンク
５４…保持弁
ＲＥ…回生回路
ＦＬ、ＦＬ１、ＦＬ２…流量調整回路

Claims (6)

1. ブームを有する作業部を備え、コントロール弁の切り換えによってブームシリンダを伸長・収縮させ、前記ブームを駆動可能とした作業機械のブームエネルギの回生装置において、
   前記ブームを下げるときにおける前記ブームシリンダからの戻り油油路を２本以上の油路に分流する分岐部と、
   分流された一方を、回生位置と遮断位置とを切り換える切換弁及び該切換弁の下流に配置された油圧モータを介してタンクに導く回生回路と、
   分流された他方を、ポンプとシリンダとの間に配置され前記ブームシリンダへの油路を切り換えるスプールを備えた前記コントロール弁を介してタンクに導く回路と、
   を備え、且つ
   前記回生回路の中の前記切換弁を、前記コントロール弁の外側に配置したことを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置。
2. 請求項１において、 前記コントロール弁が、ブームシリンダが所定の位置に保持されているときに、その戻り油の流通を阻止する保持弁を備え、且つ
   前記分岐部が、該保持弁の下流位置で且つ当該コントロール弁の前記スプールの上流位置に配置されていることを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置。
3. 請求項１または２において、 前記コントロール弁内に２以上の前記スプールが設けられ、且つ その内の２以上のスプールにおいて、前記ブームシリンダからの戻り油油路から分岐された他方を流量制御する流量制御回路が設けられていることを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記切換弁は、前記遮断位置に切り換えられると、前記タンクと前記油圧モータとの間で循環回路を形成することを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置。
5. 作業部の動きに対応して戻り油を流出させる駆動部を備え、コントロール弁の切り換えによって前記作業部を駆動可能とした作業機械のエネルギの回生装置において、
   前記駆動部からの戻り油油路を２本以上の油路に分流する分岐部と、
   分流された一方を、回生位置と遮断位置とを切り換える切換弁及び該切換弁の下流に配置された油圧モータを介してタンクに導く回生回路と、
   分流された他方を、ポンプとシリンダとの間に配置され前記駆動部への油路を切り換えるコントロール弁を介してタンクに導く回路と、を備え、且つ
   前記回生回路の中の前記切換弁を、前記コントロール弁の外側に配置したことを特徴とする作業機械のエネルギの回生装置。
6. 請求項５において、
   前記切換弁は、前記遮断位置に切り換えられると、前記タンクと前記油圧モータとの間で循環回路を形成することを特徴とする作業機械のエネルギの回生装置。

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