JP4884124B2 - 建設機械の油圧制御回路 - Google Patents

Description

本発明は油圧ショベル等の建設機械の油圧制御回路に関するものであり、特に、旋回モータの起動時におけるリリーフ量を低減させて、エネルギーロスを最小限に抑えるようにした建設機械の油圧制御回路に関するものである。

油圧ショベル等の建設機械は、特許文献１をはじめとして、一般によく知られている。

図４および図５は、特許文献１で知られる油圧ショベルの一例を示す。図４において、クローラ式の下部走行体１上には上部旋回体２が縦軸回りに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２の前方一側部にキャブ３が載置され、前方中央部にブーム４がブームシリンダ５により俯仰動可能に取り付けられている。そして、該ブーム３の先端部にアーム６がアームシリンダ７により揺動可能に枢着され、該アーム６の先端部にバケット８がバケットシリンダ９により回動可能に枢着されている。また、図５に示すように、上部旋回体２の旋回中心近傍には旋回モータ１０が設けられ、該旋回モータ１０の後部に旋回モータ切換バルブ１１ｂを有するコントロールバルブ１１が取り付けられている。

上記旋回モータ１０は、エンジンにより駆動される図示せぬ油圧ポンプからの吐出油で駆動される。一方、旋回モータ切換バルブ１１ｂは、旋回モータ１０と油圧ポンプとの間に設けられており、旋回モータ切換バルブ１１ｂを図示せぬ旋回レバーで操作すると、旋回モータ１０の回転方向と速度を制御できるようになっている。

また、油圧ショベル等は旋回モータの起動時に大きな力を必要とする。そこで、旋回モータの起動時には、一般に旋回レバーの操作量を最初から最大に操作し、油圧ポンプからの供給流量が図６中に実線(ａ)で示すように、経過時間とともに一定の割合で増加するように設定してある。なお、図６に示す特性図において、縦軸は油圧ポンプの吐出流量Ｑ、横軸は時間ｔを示している。

しかし、油圧ポンプの流量を始めから最大限に設定しても、上部旋回体の慣性は大きいので、旋回モータは油圧ポンプから供給された流量に見合う速度で駆動されず、徐々にその使用流量が増加し、この使用流量の増加に比例して回転速度も上昇して行くようになる。そして、ある時間経過後にはコントロールバルブから供給される流量のほとんどが旋回モータで使用され、旋回モータはそれに見合った速度で回転することになる。

したがって、旋回レバーが操作されて上記経過時間までの間、油圧ポンプから供給された吐出油の一部はリリーフバルブからタンクに排出される。リリーフバルブから吐出油を排出することは明らかにエネルギーロスとなり、効率の低下や燃料消費量の増大を招くばかりでなく、リリーフバルブ等から排出される油によってタンク内の油温が上昇し、これにより油が劣化するとともに、油圧回路内の機器の寿命を低下させるという問題も生じていた。

また、一般に、油圧ショベルの旋回動作では、起動時に必要とする油圧ポンプの吐出流量は、ブーム、アーム、バケットおよびこれらを駆動する各種シリンダでなる作業機の姿勢によっても異なる。すなわち、作業機が小さく折り畳まれ、回転半径が小さいときには、図６中に点線（ｂ）で示すように、比較的短時間で必要な供給流量に達するが、作業機が大きく延ばされ、回転半径が大きいときには、図６中に点線（ｃ）で示すように、必要な供給流量に達するまでに長い時間がかかる。

したがって、旋回モータの起動時に、旋回レバーを最初から最大限に操作し、図６中に実線（ａ）で示す、一定の増加カーブを描くように設定してある場合では、作業機の回転半径が小さいときに、点線（ｂ）と点線（ａ）との差分が供給量不足となり、一方、作業機の回転半径が大きいときには、点線（ａ）と点線（ｃ）との差分だけ供給量過多、すなわち無駄なリリーフを行うことになる。

このような問題を解決するために、油圧ポンプと旋回モータとの間にコントロールバルブを設け、ブリードオフ制御により旋回モータを制御する構成において、旋回開始時のブリードオフ流量を最小値とするとともに、旋回加速段階で旋回加速圧力が時間とともに漸減する特性が得られるように、実際のモータ流入流量の増加分から、旋回体の慣性質量と加速力から求められる流量分を差し引いてポンプ流量を増加させるようにした旋回油圧回路が知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、旋回レバーに連動するパイロットバルブからのパイロット圧を検知する第１の検知手段と、流量制御弁（コントロールバルブ）と旋回モータとの間の管路に発生する圧力を検知する第２検知手段とからの検知信号を受けて演算し、その演算結果に基づいて油圧ポンプの吐出流量を減じるように制御弁（流量比例バルブ）を切り換えるように指令信号を出力する制御装置（コントローラ）を備えた油圧回路も知られている（例えば、特許文献３参照）。
特公平７−４５７４８号公報 特開２００５−１６２２８号公報 特開平９−１９５３２２号公報

しかしながら、特許文献２記載の油圧回路では、モータ流量検出手段や慣性質量データ検出手段などを必要としている。また、特許文献３記載の油圧回路では、パイロットバルブからのパイロット圧を検知する第１検知手段と、旋回モータの管路に発生する圧を検知する第２検知手段など、複雑な回路が必要である。いずれにしても、高価な部品や複雑な回路構成となって、経済性が悪く、またシステムが複雑化して、コストがかかるという問題があった。

そこで、構造が簡単で経済的に優れ、またエネルギーロスが少なく、効率の向上と燃料消費量を低減させて省エネルギーを実現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、 油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出油により駆動されて旋回体を旋回させる旋回モータと、該旋回モータの回転方向と速度を制御するコントロールバルブと、前記油圧ポンプの吐出流量を制御するレギュレータと、前記コントロールバルブを通過した吐出油にネガコン圧を発生させ、該ネガコン圧を前記レギュレータに作用させるネガコン回路とを備えた建設機械の油圧制御回路において、
前記ネガコン回路とは別に第２のネガコン回路を配置するとともに、該第２のネガコン回路に圧油を供給する流量比例バルブを接続し、いずれか一方のネガコン回路の圧油を高圧選択してレギュレータへ作用させるシャトルバルブを設け、
さらに、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、
該圧力センサの検出値から前記吐出圧が急変したら、前記流量比例バルブを制御して前記第２のネガコン回路圧を調整し、前記油圧ポンプの吐出流量を増減することができるコントローラを備え、
旋回起動時は、前記第２のネガコン回路に供給する流量を最小に絞るように前記コントローラが前記流量比例バルブを制御して、前記油圧ポンプの吐出流量を確保し、
旋回開始後は、前記圧力センサの検出値から吐出圧が急増したことを検出したときに、前記第２のネガコン回路に供給する圧油を所定時間だけ増加するように前記コントローラが前記流量比例バルブを制御して、前記油圧ポンプの吐出流量の増加を一時的に抑えるように構成したことを特徴とする建設機械の油圧制御回路を提供する。

この構成によれば、旋回モータに供給される油圧ポンプの吐出圧が圧力センサにより検出され、この吐出圧が急変したら、コントローラは、流量比例バルブへ指令信号を出力して流量比例バルブから第２のネガコン回路へ供給される圧油を調整する。コントロールバルブを通過して発生するネガコン回路のネガコン圧と、前記流量比例バルブによって発生する第２のネガコン回路とのいずれか一方の圧油をシャトルバルブが高圧選択してレギュレータへ作用させ、油圧ポンプの吐出流量が制御される。旋回起動時は油圧ポンプの吐出流量が最大となり、圧力センサの検出値が急増したらコントローラによって吐出流量が増加しないように制御される。

この構成によれば、圧力センサの検出値の変化に基づき、旋回起動時はコントローラが流量比例バルブを絞って第２のネガコン回路に供給する流量を最小にし、油圧ポンプの吐出流量を確保する。旋回開始後は圧力センサの検出値から吐出圧が急増したら、コントローラが流量比例バルブを開いて第２のネガコン回路に供給する流量を増加する。したがって、上記ネガコン回路よりも第２のネガコン回路が高圧となり、シャトルバルブから高圧の圧油がレギュレータに作用して、油圧ポンプの吐出量が一時的に抑えられる。

請求項１記載の発明は、作業機の姿勢等によって旋回体を回転させるのに必要な流量が異なっても、圧力センサにより検出される吐出圧をセンシングしながら、旋回モータが旋回するのに必要な流量を徐々に増加させて行くことができる。これにより、作業機の姿勢に関係なく、旋回モータの回転に必要とする真の流量が旋回モータに供給できるように、油圧ポンプの吐出流量を保つことができるので、無駄なリリーフ量を減少させてエネルギーロスが少なくなり、効率の向上と燃料消費量を低減させて省エネルギーを実現することができる。

この発明は、旋回起動時に油圧ポンプの吐出量を確保し、旋回開始後は油圧ポンプの吐出圧が急増したときに供給過多と判断して、吐出量の増加を一時的に抑えるので、上記の効果に加えて、構造が簡単で経済的に優れた建設機械の油圧制御回路を提供することができるという効果を期待することができる。

構造が簡単で経済的に優れ、またエネルギーロスが少なく、効率の向上と燃料消費量を低減させて省エネルギーを実現するという目的を達成するために、油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出油により駆動されて旋回体を旋回させる旋回モータと、該旋回モータの回転方向と速度を制御するコントロールバルブと、前記油圧ポンプの吐出流量を制御するレギュレータと、前記コントロールバルブを通過した吐出油にネガコン圧を発生させ、該ネガコン圧を前記レギュレータに作用させるネガコン回路とを備えた建設機械の油圧制御回路において、前記ネガコン回路とは別に第２のネガコン回路を配置するとともに、該第２のネガコン回路に圧油を供給する流量比例バルブを接続し、いずれか一方のネガコン回路の圧油を高圧選択してレギュレータへ作用させるシャトルバルブを設け、さらに、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、該圧力センサの検出値から前記吐出圧が急変したら、前記流量比例バルブを制御して前記第２のネガコン回路圧を調整し、前記油圧ポンプの吐出流量を増減することができるコントローラを備えたことにより実現した。

以下、本発明の建設機械の油圧制御回路について、好適な実施例をあげて説明する。

図１は本発明の実施の形態として示す油圧制御回路の概略構成図である。なお、この油圧制御回路は、図４および図５に示した建設機械としての油圧ショベルに適用した場合とし、図４および図５に示す建設機械の構成要素と対応している部分には、同一の符号を付して説明する。

図１において、この油圧制御回路には、油圧ショベルに搭載されたエンジン等の原動機により回転駆動される油圧ポンプ１２が装備されている。この油圧ポンプ１２は容量可変型の油圧ポンプで、油圧ポンプ１２の容量可変式の斜板１２ａを有し、この斜板１２ａにレギュレータ１４が接続されている。また、油圧ポンプ１２のセンター油路１６上には、下流に向かって、コントロールバルブ１１とネガコン絞り１８が順次配置され、タンクＴに接続されている。

上記コントロールバルブ１１は、下部走行体１の走行を制御する走行切換バルブ１１ａと、上部旋回体２を旋回させる旋回モータ１０を操作するための旋回モータ切換バルブ１１ｂと、作業機におけるアームシリンダ７を操作するアーム切換バルブ１１ｃ，ブームシリンダ５を操作するブーム切換バルブ１１ｄ，およびバケットシリンダ９を操作するバケットシリンダ切換バルブ１１ｅ等により構成されている。

上記レギュレータ１４には、シャトルバルブ２２の出力ポートが接続され、該シャトルバルブ２２は２つの入力ポートを有している。該シャトルバルブ２２の片側の入力ポートには第１のネガコン回路２４が接続され、この第１のネガコン回路２４には、コントロールバルブ１１を通過した油がネガコン絞り１８で絞られることにより発生するネガコン圧が導入される。シャトルバルブ２２の他方の入力ポートには第２のネガコン回路２６が接続され、この第２のネガコン回路２６には、コントローラ３１で制御される流量比例バルブ２８を介して、パイロット油圧源３０からのパイロット圧油が導入される。そして、該シャトルバルブ２２は、前記第１のネガコン回路２４内の圧油と第２のネガコン回路２６内の圧油のうち、何れか高い方の圧油を選択してレギュレータ１４に供給し、該レギュレータ１４を制御する。

コントローラ３１は、作業機を操作する旋回レバー３２の操作に応じた駆動信号をコントロールバルブ１１の各切換バルブ１１ａ〜１１ｅに出力する。また、油圧ポンプ１２とコントロールバルブ１１との間に圧力センサ３３を設け、コントローラ３１は該圧力センサ３３の入力信号から、油圧ポンプ１２の吐出圧Ｐ１を検出し、この検出値に基づいて流量比例バルブ２８のソレノイド２８ａに指令電流を出力するものである。

続いて、本実施例の動作について説明する。なお、説明を簡略化するため、旋回モータ１０を駆動する場合について説明し、他の作業機等は駆動されてない場合として説明する。また、図２は、本実施の形態における油圧制御回路の一動作例を示すフローチャートで、このフローチャートに従って本油圧制御回路の動作をステップＳ１からステップＳ６の順に説明する。

まず、油圧ショベルの走行が停止し、かつ旋回モータ１０が駆動されていないとき、油圧ポンプ１２はアイドリング状態にあり、油圧ポンプ１２からの吐出油はタンクＴに全部戻され、この際、ネガコン絞り１８によって第１のネガコン回路２４に高圧のネガコン圧が発生する。また、流量比例バルブ２８も図１に示す位置ａにあり、第２のネガコン回路２６は油圧タンクＴに連通していて低圧で、第１のネガコン回路２４の油圧よりも低圧に保たれる。

これにより、シャトルバルブ２２は、第１のネガコン回路２４側の圧油を高圧選択してレギュレータ１４に供給し、レギュレータ１４では該ネガコン圧に応じて斜板１２ａの傾転量を制御する。これにより、アイドリング時の油圧ポンプ１２の吐出流量が低く抑えられて、省エネを図ることができる。

ここで、コントローラ３１は、操作レバー３２によって旋回操作が行われたか否かを常に監視している(ステップＳ１)。

操作レバー３２により旋回操作が行われると、コントローラ３１は、旋回モータ切換バルブ１１ｂを旋回側に切り換え、油圧ポンプ１２からの吐出油が旋回モータ１０に供給されて、旋回モータ１０が回転駆動して上部旋回体２の旋回する(ステップＳ２)。

また、コントローラ３１は圧力センサ３３からの吐出圧Ｐ１を常にセンシングしており、旋回モータ１０の回転が開始されると、吐出圧Ｐ１の経時変化を監視する。吐出圧Ｐ１の変化量が予め決められた傾斜よりも大きく増加したら、油圧ポンプ１２から吐出される圧油が供給過多であると判断し(ステップＳ３)、コントローラ３１は流量比例バルブ２８のソレノイド２８ａに指令電流を時間ｔ１の間だけ出力する(ステップＳ４)。この指令電流により、流量比例バルブ２８は図１に示す位置ｂに切り換わり、パイロット油圧源３０が流量比例バルブ２８を介して第２のネガコン回路２６に連通し、パイロット油圧源３０から第２のネガコン回路２６に高い圧油が導出される。

これにより、シャトルバルブ２２は、第１のネガコン回路２４の圧油よりも高い第２のネガコン回路２６の圧油を高圧選択してレギュレータ１４に供給し、レギュレータ１４ではこの高い圧油に応じて斜板１２ａの傾転量を制御し、油圧ポンプ１２の吐出流量を一時的に抑える。

時間ｔ１が経過すると、コントローラ３１からの指令電流が断たれ、流量比例バルブ２８は再び図１に示す位置ａに戻されて、第２のネガコン回路２６が油圧タンクＴに連通する。したがって、第２のネガコン回路２６の圧油は第１のネガコン回路２４の圧油よりも低圧となる。これにより、シャトルバルブ２２は第１のネガコン回路２４からのネガコン圧を選択してレギュレータ１４に供給し、レギュレータ１４では該ネガコン圧に応じて斜板１２ａの傾転量を制御する。これにより、油圧ポンプ１２からは第１のネガコン回路２４側のネガコン圧に応じて吐出流量が制御され、これが旋回モータ１０に供給される。

この動作は、上部旋回体２の回転が安定し、圧力センサ３３からの吐出圧Ｐ１がほぼ一定になるまで、ステップＳ５とステップＳ６の動作を順に繰り返す。また、油圧ショベルの作業中は、上部旋回体２の回転が開始される度毎に、同じ動作が繰り返えされる。

図３は、本実施形態の油圧制御回路における制御の一例として示す油圧ポンプ１２の吐出流量Ｑと時間ｔとの特性図である。図３中、符号ａで示す範囲は、油圧ポンプ１２からの吐出流量が供給過多と判断され、供給レギュレータ１４に第２のネガコン回路２６側の高い圧油をｔ１時間付与しているときの状態であり、第２のネガコン回路２６側の高い圧油を付与しているときには、吐出流量Ｑの増加は抑えられている。このように吐出流量Ｑを段階的に抑えながら増加させると、作業機の姿勢等により旋回モータ１０が必要とする流量が変わっても、油圧ポンプ１２の吐出流量を旋回モータ１０が必要とする真の流量に保つことができる。

このように、本実施の形態によれば、コントローラ３１は、旋回モータ１０に供給される油圧ポンプ１２の吐出油の圧力を、圧力センサ３３を介してセンシングし、この吐出圧Ｐ１の変化量が予め決められた変化量よりも大きく急変したら、油圧ポンプ１２の吐出流量を所定の時間ｔ１だけ抑えることにより旋回モータ１０への供給量過多を抑止する。そして、所定時間ｔ１経過後に再び元に戻すという動作を自動的に繰り返すことにより、作業機の姿勢等に影響されることなく、油圧ポンプ１２の吐出流量を旋回モータ１０が必要とする真の流量に保つことができる。これにより、旋回モータ１０に向けて圧油が過剰に供給されて過剰分をリリーフバルブ等からタンクへ戻すというような無駄がなくなるので、エネルギーロスが少なく、効率の向上と燃料消費量を低減させて省エネルギーを実現することができる。

また、演算回路からコントローラ３１と流量比例バルブ２８とで上記制御を実現することができるので、構造が簡単で、経済的に優れた建設機械の油圧制御回路が提供できる。

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る。

本発明の実施形態に係る油圧制御回路の概略構成図。 図１に示す油圧制御回路の動作を説明するフローチャート。 図１に示す油圧制御回路の動作例を説明する流量特性図。 一般的な油圧ショベルの全体側面図。 一般的な油圧ショベルの全体上面図。 従来の油圧制御回路の問題を説明する流量特性図。

符号の説明

２ 上部旋回体
１０ 旋回モータ
１１ コントロールバルブ
１１ｂ 旋回モータ切換バルブ
１２ 油圧ポンプ
１２ａ 斜板
１４ レギュレータ
１６ センター油路
１８ ネガコン絞り
２２ シャトルバルブ（高圧選択手段）
２４ 第１のネガコン回路
２６ 第２のネガコン回路
２８ 流量比例バルブ
３０ パイロット油圧源
３１ コントローラ
３２ 操作レバー
３３ 圧力センサ

Claims (1)

1. 油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出油により駆動されて旋回体を旋回させる旋回モータと、該旋回モータの回転方向と速度を制御するコントロールバルブと、前記油圧ポンプの吐出流量を制御するレギュレータと、前記コントロールバルブを通過した吐出油にネガコン圧を発生させ、該ネガコン圧を前記レギュレータに作用させるネガコン回路とを備えた建設機械の油圧制御回路において、
   前記ネガコン回路とは別に第２のネガコン回路を配置するとともに、該第２のネガコン回路に圧油を供給する流量比例バルブを接続し、いずれか一方のネガコン回路の圧油を高圧選択してレギュレータへ作用させるシャトルバルブを設け、
   さらに、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、
   該圧力センサの検出値から前記吐出圧が急変したら、前記流量比例バルブを制御して前記第２のネガコン回路圧を調整し、前記油圧ポンプの吐出流量を増減することができるコントローラを備え、
   旋回起動時は、前記第２のネガコン回路に供給する流量を最小に絞るように前記コントローラが前記流量比例バルブを制御して、前記油圧ポンプの吐出流量を確保し、
   旋回開始後は、前記圧力センサの検出値から吐出圧が急増したことを検出したときに、前記第２のネガコン回路に供給する圧油を所定時間だけ増加するように前記コントローラが前記流量比例バルブを制御して、前記油圧ポンプの吐出流量の増加を一時的に抑えるように構成したことを特徴とする建設機械の油圧制御回路。

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