JP4937176B2

JP4937176B2 - 作業機械

Info

Publication number: JP4937176B2
Application number: JP2008089746A
Authority: JP
Inventors: 光夫園田; 篤司田中; 孝利大木; 淳二津村
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009243554A

Description

本発明は、例えばハイブリッド式油圧ショベル等、エンジンだけでなく、電動機によっても駆動される油圧アクチュエータを有する油圧式の作業機械に関するものであり、特に油圧アクチュエータからの戻り油のエネルギを回収するようにした作業機械に関するものである。

油圧式作業機械として、例えば油圧ショベルは、下部走行体に旋回装置を介して上部旋回体が設置されており、上部旋回体には、ブーム，アーム及びバケット等のフロントアタッチメントで構成される作業手段が設けられている。下部走行体における走行手段と旋回装置とは油圧モータにより駆動されるものであり、また作業手段を構成するブーム，アーム及びフロントアタッチメントは油圧シリンダで駆動される。これら油圧モータ及び油圧シリンダは油圧アクチュエータであり、各油圧アクチュエータには油圧ポンプからの吐出油が供給され、またこれらの油圧アクチュエータからの戻り油は作動油タンクに流入するようになる。

例えば、上部旋回体を旋回させる際には、旋回装置を構成する旋回用の油圧モータを駆動するが、この旋回時には慣性力が作用することになる。従って、旋回を停止させたときには、上部旋回体はこの慣性力により旋回を継続しようとすることから、慣性力を吸収しなければ、必要な旋回停止精度が得られない。また、作業手段における油圧シリンダの戻り側に位置エネルギに基づいて、圧力が生じているときには、この油圧シリンダに作用する位置エネルギを吸収しなければ、停止時に極めて大きな衝撃が作用することになる。このために、これら各油圧アクチュエータの戻り側に背圧を生じさせるようになし、もって運動エネルギを吸収して、停止精度を向上させ、また衝撃を吸収するようにしている。従って、この運動エネルギは熱に変換されることになる。

近年においては、油圧ショベル等の作業機械において、ハイブリッド式作業機械が開発され、かつ実用化されるようになってきている。このハイブリッド式作業機械は、車両にエンジンと共に電動機を搭載し、前述した各油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプをエンジンでも、また電動機でも駆動できる構成としている。さらに、アクチュエータのうち、モータについては、油圧ポンプからの圧油で駆動される油圧モータではなく、電動モータとして構成したものもある。そこで、この種のハイブリッド式作業機械においては、蓄電装置を備えているので、前述した運動エネルギを熱として放出するのではなく、電気エネルギとして回生して蓄電装置を充電することが可能になる。以上のことから、特許文献１に、ハイブリッド式作業機械において、作業用アクチュエータからの戻り油が有するエネルギを活用するために、回生モータを設けて、この回生モータにより電動機を駆動して、発電を行うようにしたものが示されている。
特開２００６−３３６３０４号公報

ところで、作業機械の駆動時において、常にエネルギを回生して電気エネルギに変換できるわけではない。例えば、下部走行体による走行手段の駆動により作業機械の走行が行われるが、走行中や走行停止時には回生可能な程度の運動エネルギは発生しない。また、作業手段の作動時においても、回生可能な運動エネルギが常に発生するというものではない。エネルギの回生が確実に行えるのは、旋回停止時と、ブーム下げ動作時とである。既に説明したように、旋回停止時には、慣性力を吸収する必要があり、このエネルギを回生して、電気エネルギに変換することができる。即ち、旋回装置は、旋回動作に対する抵抗を最小限に抑制することによって、旋回駆動を円滑に行うようにする。従って、旋回用油圧モータに対して旋回方向の大きな慣性力が作用する。また、ブームは上部旋回体に俯仰動作可能に設けられており、このブームの下げ動作時には、ブームを駆動するための油圧シリンダに対して重力方向の力が作用するものであり、作業手段の姿勢やフロントアタッチメントとしてのバケット内に土砂が収容されているときには、さらに大きな重力が作用する。

以上のことから、旋回停止時及びブーム下げ動作以外の動作時には、実質的に回生可能なエネルギが生じない。そして、回生モータが作動するのは短い時間であり、しかも間欠的にしか作動しない。このために、回生モータを作動させるにしても、回生動作の開始は静止状態からモータを回転させると、静止摩擦抵抗等によって、回生可能となる定常状態の回転数が得られるまでにある程度の時間が必要となる。従って、回生モータを設けただけでは、必ずしも効率的なエネルギの回収が行うことができない。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、回生モータの回生動作に遅れが生じないようになし、しかもそのために格別のエネルギを消費する必要をなくすことにある。

前述した目的を達成するために、本発明は、作業手段として、油圧アクチュエータにより駆動されて、俯仰動作可能な作動部と、この作動部の動作制御するためのパイロット作動式の方向切換弁と、この方向切換弁へのパイロット圧を供給するパイロットポンプとを備えた作業機械であって、前記油圧アクチュエータからの戻り油により駆動される回生モータを設けて、この回生モータの吸い込み側に前記パイロットポンプからの圧油を導く導油路を接続する構成としたことをその特徴とするものである。

作業機械は、走行手段を有するものであり、また作業手段が設けられている。作業手段が土砂の掘削手段である場合には、油圧ショベルを構成するが、この油圧ショベル以外であっても、油圧クレーン等他の建設機械、農業機械その他の作業機械にも適用できる。ただし、少なくとも蓄電装置により駆動される電動機を備えることを必須とし、好ましくは駆動手段として電動機とエンジンを含むハイブリッド式の作業機械であることを条件とする。

回生モータは油圧アクチュエータからの戻り油で駆動されるものであり、この回生モータには発電機が接続されており、またこの発電機が駆動されると、蓄電装置に充電が行われる構成とする。作業機械には、複数の可動部が設けられており、これら各可動部は油圧モータまたは油圧シリンダからなる油圧アクチュエータにより駆動される。作業機械は、最低限、走行駆動手段と作業手段とを備えている。また、作業手段はオペレータが搭乗する運転室と共に上部構造部に設け、走行手段はクローラ式，ホイール式等とした下部走行体とする。そして、下部走行体と上部構造部との間に旋回装置を介在させる構成とすることができる。この場合には、上部構造部は上部旋回体となり、旋回装置には旋回用の油圧モータまたは電動モータを備える構成とする。

これら各油圧アクチュエータの作動制御は運転室に搭乗しているオペレータが操作レバー等の操作手段を操作することにより行われる。従って、操作手段と油圧アクチュエータとの間に方向切換弁が設けられ、この方向切換弁を中立位置からいずれかの切換位置に切り換えることによって、油圧アクチュエータの一方の配管を油圧ポンプと接続し、他方の配管を作動油タンクと接続するようになし、もって油圧アクチュエータが接続されている可動部が動作する。

ところで、全ての油圧アクチュエータからの戻り油が回生可能な運動エネルギを有するものではない。必ず回生可能な運動エネルギを有するものとして、作業手段を構成するブーム下げ動作時がある。即ち、ブーム上げ動作時では、このブームを駆動する油圧シリンダに位置エネルギが蓄えられている。従って、この油圧シリンダを駆動することによりブーム下げ動作を行ったときには、戻り油が高圧となることから、この圧力で回生モータを駆動することができる。また、旋回用のアクチュエータとして油圧モータを用いると、旋回停止時に戻り側の流路が高圧になる。ただし、右旋回と左旋回とで高圧になる側の流路が異なってくる。従って、この旋回動作時にもエネルギを回生する場合には、旋回装置を電動モータで駆動するようになし、この電動モータに電力回生ブレーキを設け、慣性力による運動エネルギを電気エネルギに変えて、蓄電すると共に、ブレーキ機能を発揮させることができる。

前述したように、ブーム下げ動作時における戻り流路側に回生モータを設けることによって、発電機を駆動することができる。ブーム下げ動作はあまり頻繁に行われるものではなく、また動作時間も短い。従って、このブーム下げ動作時に油圧アクチュエータからの戻り油を回生モータに導いて、直ちにこの回生モータを作動させて発電機を駆動する。これによって、蓄電装置に蓄電されるが、エネルギをロスさせることなく回生し、回生モータを介しての蓄電をより効率的に行うために、回生モータを常時回転させる状態に保持するようになし、もって静止摩擦抵抗による回生モータの動作遅れが生じないようにしている。

油圧ポンプを駆動して、この油圧ポンプからの圧油を供給することにより油圧シリンダを駆動するが、油圧シリンダの動作を制御するために、方向切換弁が設けられる。この方向切換弁を油圧パイロット式のものとする。この方向切換弁の油圧パイロット部にパイロット圧を作用させるために、パイロットポンプを備えている。通常、パイロットポンプは常時作動させておき、操作手段が操作されていないときには、リリーフ弁により作動油タンクに戻している。このパイロットポンプの出力を利用して、回生モータを回転状態に保持する。これによって、本来であれば、何等の仕事も行わないで、作動油タンクに還流するパイロットポンプの出力圧を、回生モータを常時スタンバイ状態に保持するために使用することができる。

操作手段を操作して、方向切換弁を切り換える際には、パイロットポンプの吐出圧がこの方向切換弁の油圧パイロット部に供給されなければならない。このために、パイロットポンプの吐出配管を方向切換弁側と回生モータの導油路側とに切り換える切換弁を設け、またこの切換弁と回生モータとの間に逆止弁を設ける。これによって、パイロットポンプ本来の機能が損なわれない。従って、方向切換弁を切り換える際に、回生モータにはパイロット圧が供給されなくなるが、油圧パイロット部に対しては圧力が供給されれば良く、大きな流量を必要とするものではなく、回生モータにパイロット圧が供給されない時間はあまり長くはない。この間は、回生モータが慣性により回転を継続するので、格別の問題が生じない。要するに、切換弁はこの圧力制御弁に方向切換弁を切り換えるのに必要なパイロット圧が作用していると、パイロットポンプの吐出側が回生モータの導油路側に接続されるので、回生モータが回転停止状態になること、つまり回生モータに静止摩擦抵抗が作用する状態になる事態が生じなくなる。これによって、効率的な回生動作を行わせることができる。

本来であれば、リリーフ弁を介して作動油タンクに還流させているパイロットポンプの吐出油を導いて回生モータを常に回転させることによって、回生モータによる回生動作に遅れが生じることがなく、効率的なエネルギの回生が行われる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。まず、図１に作業機械としての油圧ショベルの構成を示す。図示した油圧ショベル１はクローラ式の走行手段を有する下部走行体２上に、旋回装置３を介して上部旋回体４が設置されている。上部旋回体４には、オペレータが搭乗する運転室５や作業手段６等が設けられている。運転室５には後述する複数の操作レバーが設けられており、オペレータはこれら操作レバーを操作することによりこの油圧ショベル１を駆動する。即ち、下部走行体２による走行、旋回装置３による旋回及び作業手段６の作動を行わせることができる。

図２に作業手段６とその駆動機構の構成を示す。図中において、１０は上部旋回体２に俯仰動作可能に設けたブーム、１１はブーム１０の先端に連結して設けたアームを示し、アーム１１の先端には作業アタッチメントとしてのバケット１２が設けられている。アーム１１はブーム１０に対して回動可能となり、またバケット１２はアーム１１に回動可能となっている。そして、ブーム１０の駆動はブームシリンダ１３により、またアーム１１の駆動はアームシリンダ１４により、さらにバケット１２はバケットシリンダ１５により駆動される。

ブームシリンダ１３，アームシリンダ１４及びバケットシリンダ１５はいずれも油圧シリンダであり、油圧ポンプ１６から圧油を供給することにより駆動されるものである。この油圧ポンプ１６はメインポンプであり、このメインポンプ１６は、パイロットポンプ１７と共にエンジン１８または電動機１９のいずれかにより駆動されるものである。電動機１９は蓄電装置２０からの電力により駆動されるものであり、電動機１９は変換器２１を介して蓄電装置２０と接続されている。

油圧ポンプ１６からの圧油はそれぞれ方向切換弁２２，２３，２４を介してブームシリンダ１３，アームシリンダ１４，バケットシリンダ１５に供給される。また、これら各シリンダ１３〜１５からの戻り油は作動油タンク２５に還流される。方向切換弁２２〜２５は油圧パイロット式のものであり、パイロットポンプ１７からのパイロット圧により切り換わるものである。このために、各操作レバー２６〜２８には、それぞれ一対からなる圧力制御弁２９Ｒ，２９Ｌ，３０Ｒ，３０Ｌ及び３１Ｒ，３１Ｌが設けられており、操作レバーを左右いずれかに傾動させると、押し込まれた側の圧力制御弁から方向切換弁のいずれかの油圧パイロット部にパイロット圧が供給されて、この方向切換弁が切り換えられる。なお、図中において、３２はパイロットポンプ１７を含む油圧回路の最高圧を設定するリリーフ弁である。

図２において、符号３３は回生モータであり、この回生モータ３３はブームシリンダ１３によるブーム１０の下げ動作時に、このブームシリンダ１３のボトム室１３Ｂからの戻り油により回転駆動されるものである。このために、ボトム室１３Ｂに接続した配管３４は、流入側配管３４ａと、流出側配管３４ｂとに分岐している。流入側配管３４ａは切換弁３５ａを介して方向切換弁２２に接続されており、この方向切換弁２２の切り換えによりメインポンプ１６からの圧油がこのブームシリンダ１３のボトム室１３Ｂに供給されることになる。一方、流出側配管３４ｂは切換弁３５ｂを介して回生モータ３３と接続されており、この回生モータ３３を経て作動油タンク２５に還流されるようになっている。回生モータ３３には発電機３６が接続されており、この発電機３６は変換器３７を介して蓄電装置２０に接続されている。

さらに、回生モータ３３には、パイロットポンプ１７からの圧油を導くことができるようになっている。このために、パイロットポンプ１７の吐出側配管３８は切換弁３９を介して、分岐配管３８ａ，３８ｂに分岐している。分岐配管３８ａの他端は各圧力制御弁２９Ｒ，２９Ｌ，３０Ｒ，３０Ｌ及び３１Ｒ，３１Ｌに接続されている。一方、分岐配管３８ｂの他端は逆止弁４０を介して流出側配管３４ｂと合流して、回生モータ３３に接続されている。従って、分岐配管３８ｂが回生モータ３３の吸い込み側に接続した導油路を構成している。

作業手段６の駆動回路は以上のように構成されるものであって、オペレータが運転室５に設けた操作レバー２６〜２８を操作すると、方向切換弁２２〜２４が切り換わる結果、シリンダ１３〜１５に圧油の給排が行われて、ブーム１０，アーム１１またはバケット１２が駆動される。これら作業手段６を構成する各部のうち、ブーム１０は上部旋回体４に俯仰動作可能に設けられており、ブーム１０の上げ動作を行わせる場合には、方向切換弁２２の切り換えによりメインポンプ１６からの圧油がブームシリンダ１３のボトム室１３Ｂに供給される。このときには、切換弁３５ａは開弁状態、切換弁３５ｂは閉弁状態とする。一方、ブームシリンダ１３のロッド室１３Ｒは作動油タンク２５と接続される。これによって、ブームシリンダ１３が伸長することになり、ブーム上げ動作が行われる。このブーム上げ動作によりブームシリンダ１３のボトム室１３Ｂは位置エネルギの作用によって加圧されて高圧になる。

次にブーム下げ動作を行うためには、操作レバー２６を図２の左側に傾動させて、方向切換弁２２を切り換えるようになし、油圧ポンプ１６からの圧油をブームシリンダ１３のロッド室１３Ｒに流入させる。このときには、切換弁３５ａは閉弁状態、切換弁３５ｂは開弁状態になる。その結果、ボトム室１３Ｂに接続した配管３４は切換弁３５ａを介さない流出側流路３４ｂが選択され、回生モータ３３の吸い込み側の導油路側がボトム室１３Ｂと接続されるように切り換わる。ボトム室１３Ｂの内部は高圧状態になっているので、この高圧油の流入により回生モータ３３が回転駆動され、発電機３６を作動させて、発電が行われ、変換器３７により直流電力となし、蓄電装置２０に充電される。

ここで、回生モータ３３はブームシリンダ１３のボトム室１３Ｂからの戻り油が流入したときにのみ駆動されるのではなく、常時回転させている。これによって、回生モータ３３には、実質的に静止摩擦抵抗が作用することがなくなり、ボトム室１３Ｂからの圧力が作用したときに、直ちに充電状態に入ることになり、エネルギのロスなく回生することができ、効率的に充電される。この回生モータ３３を常時回転させておくために、パイロットポンプ１７の吐出油が利用される。

そもそも、パイロットポンプ１７は圧力制御弁２９Ｒ，２９Ｌ，３０Ｒ，３０Ｌ及び３１Ｒ，３１Ｌにパイロット圧を供給し、方向切換弁２２〜２５を切り換えるためのものであり、大量の圧油を必要とするのではなく、操作レバー２６〜２８を傾動させたときに方向切換弁２２〜２４の切り換えに必要なパイロット圧を供給すれば良い。また、回生モータ３３を実質的に無負荷状態で回転させるには、このパイロット圧により十分である。一方、本来であれば、つまり回生モータ３３を駆動しないとすれば、パイロット圧はリリーフ弁３２を介して作動油タンク２５に戻されるものである。

以上のことから、パイロットポンプ１７の吐出油を切換弁３９により分岐配管３８ｂから逆止弁４０を介して回生モータ３３に導くようにする。これによって、格別のエネルギを消費することなく、回生モータ３３を常時回転させておくことができる。そして、操作レバー２６〜２８のいずれかが操作されると、分岐配管３８ａの圧力が低下することになるので、切換弁３９が切り換わって、パイロット圧が供給される。この間は回生モータ３３に圧力が供給されないが、切換弁３９は方向切換弁２２〜２４の切り換えに必要な短い時間だけ分岐配管３８ａ側に切り換わり、回生モータ３３が慣性力で回転する。従って、回生モータ３３が停止することはない。

従って、ブーム下げ動作が行われると、ブームシリンダ１３のボトム室１３Ｂ内の圧力により回生モータ３３が駆動されて、発電機３６が作動することによって、蓄電装置２０に充電される。しかも、回生モータ３３は常に回転していることから、回生時に静止摩擦抵抗を生じることがなくなり、エネルギロスを最小限に抑制できる。また、回生モータ３３の作動によりブレーキ作用が発揮されて、ブーム１０の急激な下げによる衝撃が作用するのを防止できる。

作業機械の一例としての油圧ショベルの正面図である。本発明の実施の一形態を示すものであって、作業手段とその駆動機構の構成を示す構成説明図である。

符号の説明

１油圧ショベル２下部走行体
３旋回装置４上部旋回体
５運転室６作業手段
１０ブーム１３ブームシリンダ
１３Ｂボトム室１３Ｒロッド室
１６メインポンプ１７パイロットポンプ
１９電動機２０蓄電装置
２１，３７変換器２２〜２４方向切換弁
２６〜２８操作レバー３３回生モータ
３５ａ，３５ｂ切換弁３６発電機
３８吐出配管３８ａ，３８ｂ分岐配管
３９切換弁４０逆止弁

Claims

作業手段として、油圧アクチュエータにより駆動されて、俯仰動作可能な作動部と、この作動部の動作制御するためのパイロット作動式の方向切換弁と、この方向切換弁へのパイロット圧を供給するパイロットポンプとを備えた作業機械において、
前記油圧アクチュエータからの戻り油により駆動される回生モータを設けて、この回生モータの吸い込み側に前記パイロットポンプからの圧油を導く導油路を接続する
構成としたことを特徴とする作業機械。
前記回生モータには、この回生モータにより駆動される発電機が接続されており、この発電機を駆動して蓄電装置に充電する構成としたことを特徴とする請求項１記載の作業機械。
前記パイロットポンプの吐出配管を前記方向切換弁側配管と前記導油路側とに切り換える切換弁を設け、またこの切換弁と前記回生モータとの間に逆止弁を設ける構成としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の作業機械。
前記方向切換弁へのパイロット圧の供給するために、圧力制御弁と、この圧力制御弁を操作するための操作手段とを備え、前記切換弁はこの圧力制御弁に前記方向切換弁を切り換えるのに必要なパイロット圧が作用しているときに、前記パイロットポンプの吐出側を前記回生モータの導油路側に切り換わるものであることを特徴とする請求項３記載の作業機械。