JP5071571B1

JP5071571B1 - 旋回式作業機械

Info

Publication number: JP5071571B1
Application number: JP2011106184A
Authority: JP
Inventors: 昌之小見山
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-05-11
Also published as: JP2012237123A

Abstract

【課題】旋回用の油圧モータに電動機を接続し、この電動機と蓄電器による回生作用を働かせる方式を前提として、電気システムの異常発生時に、旋回動作を確保しながら電動機及び蓄電器を保護する。
【解決手段】油圧モータ１１の両側管路１４，１５とタンクＴとの間に連通弁２５，２６を設ける一方、油圧モータ１１に電動機２９を接続し、旋回動作中、操作された側と反対側の連通弁を開いてメータアウト側の管路をタンクＴに直接接続するとともに、減速操作時に電動機２９と蓄電器３０による回生作用によってブレーキをかけ、回生電力を蓄電器３０に蓄える。一方、電気システムに異常が発生したときは、連通弁２５，２６を閉じるとともに、回生作用を停止させ、通常の油圧ショベルと同様に減速時に油圧ブレーキが働く状態として旋回動作を確保し、かつ、電動機２９及び蓄電器３０を保護する。
【選択図】図１

Description

本発明はショベル等の旋回式作業機械に関するものである。

ショベルを例にとって背景技術を説明する。

ショベルは、図３に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が地面に対して鉛直な軸Ｘまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に掘削アタッチメント３が装着されて構成される。

掘削アタッチメント３は、起伏自在なブーム４と、このブーム４の先端に取付けられたアーム５と、このアーム５の先端に取付けられたバケット６、それにこれらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ（油圧シリンダ）７,８,９によって構成される。

このショベルにおいて、特許文献１に示されるように、旋回用の油圧モータに電動機を接続し、減速時にこの電動機に回生作用を行わせてブレーキ力を発揮させるとともに、回生電力を蓄電器に蓄えるようにした技術が公知である。

特開２０１０−６５５１０号公報

しかし、この公知技術によると、電動機及び蓄電器とそれぞれの制御系を含む電気システムに異常が発生した場合、たとえば電動機が故障によってブレーキトルクが発生しない状態になったり、蓄電器が回生電力を回収しきれない状態になったりした場合に、回生作用(ブレーキ作用と電力回収作用)が働かなくなる。

この異常が旋回動作中に発生すると旋回停止できなくなるし、電動機または蓄電器の破損を招くおそれがあることから、この後、修理しない限り旋回動作ができなくなって作業不能となる。

そこで本発明は、旋回用の油圧モータに電動機を接続し、この電動機と蓄電器による回生作用を働かせる方式を前提として、電気システムの異常発生時に、旋回動作を確保しながら電動機及び蓄電器を保護することができる旋回式作業機械を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体の旋回駆動源としての油圧モータと、この油圧モータにより回転駆動されて回生作用を行う電動機と、この電動機の回生電力を蓄える蓄電器と、上記油圧モータの圧油供給源としての油圧ポンプと、旋回の加速、定常運転、減速、停止を指令する旋回操作手段と、この旋回操作手段の操作に基づいて上記油圧モータに対する圧油の給排を制御するコントロールバルブと、上記油圧モータの両側管路に接続され減速操作時に油圧ブレーキ作用を行うブレーキ弁と、上記油圧モータの出口側管路を上記コントロールバルブを介さずに直接タンクまたは入口管路に連通させる連通位置とこの連通を遮断する連通遮断位置との間で作動する連通弁と、上記旋回操作手段の操作を検出する操作検出手段と、上記操作検出手段からの信号に基づいて上記連通弁を制御する制御手段とを具備し、この制御手段は、
(ｉ) 上記電動機及び蓄電器とそれぞれの制御系を含む電気システムからの信号に基づいて電動機と蓄電器による回生作用が不能または不適となる異常事態が発生したか否かを判断し、
(ｉｉ) 上記電気システムが正常状態で、かつ、少なくとも旋回減速時に上記連通弁を連通位置にセットするとともに、上記電動機に回生作用を行わせるための駆動指令を出力し、
(ｉｉｉ) 上記電気システムが異常状態になったときに、上記連通弁を連通遮断位置に切換えるとともに、電動機に回生作用を行わせないための非駆動指令を出力するように構成したものである。

この構成によると、電気システムが正常な状態では、少なくとも旋回減速時に連通弁を開いてモータ出口管路をタンク(請求項２)または入口管路に連通させた状態とする。

これにより、電気システムが正常な状態での減速時に電動機に回生作用を働かせてブレーキ力を発揮させながら旋回エネルギーを回収することができる。

一方、電動機及び蓄電器を含む電気システムに異常が発生すると、上記連通弁による連通を遮断し、かつ、電動機の回生作用を停止させるため、通常の油圧ショベルと同様に減速時にブレーキ弁による油圧ブレーキを働かせることができる。

これにより、旋回動作を確保して作業を継続させながら、回生作用の停止によって蓄電器及び電動機を保護することができる。

また、本発明においては、上記連通弁として、上記油圧モータの出口側管路を上記コントロールバルブを介さずに直接タンクに連通させる開き位置と、この連通を遮断する閉じ断位置との間で切換わり作動する切換弁を油圧モータの両側管路とタンクとの間に設け、上記電気システムが正常状態でかつ旋回動作中は上記連通弁を連通位置にセットするように構成するのが望ましい(請求項２)。

この構成によれば、上記効果に加えて、旋回加速時及び定常運転時の背圧を低減することができる。

また、本発明においては、上記制御手段は、旋回停止時に上記連通弁を連通遮断位置に切換えるように構成するのが望ましい(請求項３)。

この構成によれば、旋回停止状態で上記連通を遮断することにより、ブレーキ弁による油圧ブレーキを作用させて油圧モータ(上部旋回体)を停止状態に保持することができる。すなわち、旋回停止状態で電動機を位置保持制御する場合と比べて省電力となる。

本発明によると、電気システムの異常発生時に、旋回動作を確保しながら電動機及び蓄電器を保護することができる。

本発明の実施形態を示す回路構成図である。実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。ショベルの概略側面図である。

実施形態は、背景技術の説明に合わせてショベルを適用対象としている。

図１において、１０は図示しないエンジンによって駆動される油圧源としての油圧ポンプ、１１はこの油圧ポンプ１０からの圧油により回転して上部旋回体２を旋回駆動する旋回用の油圧モータで、油圧ポンプ１０及びタンクＴとこの油圧モータ１１との間に、旋回操作手段としてのリモコン弁１２によって操作される油圧パイロット式の切換弁であるコントロールバルブ１３が設けられている。

リモコン弁１２は、中立位置と左右の旋回位置との間で操作され、このリモコン弁１２からのパイロット圧によりコントロールバルブ１３が図示の中立位置イと左、右両旋回位置ロ，ハとの間で切換わり動作して油圧モータ１１に対する圧油の給排、すなわち、旋回の加速、速度一定での定常運転、減速、停止の各状態、そして回転方向と回転速度が制御される。

一方、コントロールバルブ１３と油圧モータ１１とを結ぶモータ両側管路（図左側を左旋回管路、右側を右旋回管路という）１４,１５間には、ブレーキ弁としての一対のリリーフ弁１６,１７を互いの出口同士が接続された状態で対向配置したリリーフ弁回路１８と、一対のチェック弁１９,２０を互いの入口同士が接続された状態で対向配置したチェック弁回路２１とが並列状態で設けられている。

リリーフ弁、チェック弁両回路１８，２１は連通路２２によって接続されるとともに、この連通路２２が油吸い上げ用のメークアップライン２３によってタンクＴに接続されている。２４はメークアップライン２３に設けられた背圧弁である。

ここまでの構成による基本的な作用は次の通りである。

リモコン弁１２が操作されないとき(中立時)はコントロールバルブ１３が図示の中立位置イにセットされ、リモコン弁操作時にコントロールバルブ１３が中立位置イから図左側の位置（左旋回位置）ロまたは右側の位置（右旋回位置）ハにリモコン弁操作量に応じたストロークで作動する。

コントロールバルブ１３の中立位置イでは、両旋回管路１４,１５がポンプ１０に対してブロックされるため、油圧モータ１１は回転しない。

この状態から、リモコン弁１２が左または右旋回側に操作されてコントロールバルブ１３が左旋回位置ロまたは右旋回位置ハに切換えられると、ポンプ１０から左旋回管路１４または右旋回管路１５に圧油が供給される。

これにより、油圧モータ１１が左または右に回転して旋回力行、すなわち加速または定常運転状態となる。

この場合、油圧モータ１１から吐出された油はコントロールバルブ１３経由でタンクＴに戻る。

また、たとえば右旋回力行中、リモコン弁１２が減速操作(中立復帰、または中立側への戻し操作)されると、油圧モータ１１への圧油の供給及び油圧モータ１１からタンクＴへの油の戻りが停止し、または供給油量及び戻り油量が減少する。

ここで、油圧モータ１１は上部旋回体２の慣性によって右旋回を続けようとするため、メータアウト側である左旋回管路１４に圧力が立ち、これが一定値に達すると図左側のリリーフ弁１６が開いて左旋回管路１４の油が図６中破線矢印で示すように同リリーフ弁１６−連通路２２−図右側のチェック弁２０を通って右旋回管路（メータイン側管路）１５に入り、油圧モータ１１に流入する。

これにより、油圧モータ１１が慣性回転しながら上記リリーフ作用による油圧ブレーキ力を受けるため、減速し停止する。左旋回からの減速／停止時もこれと同じである。

また、この減速中、旋回管路１４または１５が負圧傾向になると、メークアップライン２３、連通路２２、チェック弁回路２１のルートで旋回管路１４または１５にタンク油が吸い上げられてキャビテーションが防止される。

実施形態においては、両旋回管路１４，１５とタンクＴとの間に左側及び右側両連通弁２５，２６が設けられている。

この連通弁２５，２６は、制御手段としてのコントローラ２７からの信号によって開き位置(連通位置)ａと閉じ位置(連通遮断位置)ｂとの間で切換わる電磁切換弁として構成され、入口側が旋回管路１４，１５に、出口側が通路２８を介してリリーフ弁回路１８にそれぞれ接続されている。

ここで、リリーフ弁回路１８は前記のように連通路２２及びメークアップライン２３を介してタンクＴに接続されているため、連通弁２５，２６が開き位置ａにセットされると両旋回管路１４，１５がコントロールバルブ１３を介さずに直接タンクＴに連通する。

また、油圧モータ１１によって回転駆動される電動機２９と、蓄電器３０、それにコントローラ２７からの指令に基づいてこれらを制御する電動機・蓄電器制御器(以下、単に制御器という)３１が設けられている。

さらに、センサとして、リモコン弁１２からのパイロット圧を通じてリモコン弁１２の操作(中立か左または右旋回操作されたか)を検出する操作検出手段としての圧力センサ３２，３３と、電動機２９の回転速度(旋回速度)を検出する速度検出手段としての速度センサ３４とが設けられ、これらからの信号がコントローラ２７に入力される。

コントローラ２７は、各センサ３２〜３４からの信号に基づいて旋回力行時(加速時または定常運転時)か、減速時か、停止状態かを判断し、旋回力行時に、連通弁２５，２６のうち操作された側と反対側のもの(右旋回時には左側連通弁２５を、左旋回時には右側連通弁２６．以下、反対側連通弁という)を開き位置ａに切換える。

従って、旋回力行時には、油圧モータ１１から吐出された油は、コントロールバルブ１３を通らずに、一方の連通弁２５または２６を通るルートでタンクＴに直接戻される。

たとえば右旋回時には、図１中に太線書きしかつ実線矢印を付して示すように油圧モータ１１、左旋回管路１４、左側連通弁２５、通路２８、連通路２２、メークアップライン２３のルートでタンクＴに戻る。

この旋回力行中、旋回電動機２９は油圧モータ１１により駆動されて所謂連れ回り回転する。

また、この右旋回からリモコン弁１２が減速操作(中立復帰操作、または中立側に戻し操作)されると、油が、連通路２２からチェック弁回路２１(右側チェック弁２０)を通って右旋回管路１５に戻る破線矢印のルートで循環する。

このとき、電動機２９は、コントローラ２７からの駆動指令に基づいて発電機作用を行ってブレーキ力を発揮させ、発生した回生電力が蓄電器３０に蓄えられる。

この回生作用により、リリーフ弁回路１８による油圧ブレーキ作用に代わって油圧モータ１１に回生ブレーキがかけられ、上部旋回体が減速／停止する。

一方、旋回停止状態となると、コントローラ２７からの信号によって連通弁２５，２６が閉じられ、リリーフ弁回路１８による油圧ブレーキによって油圧モータ１１(上部旋回体)が停止状態に保持される。

ここで、コントローラ２７には、電気システムの異常の有無を判断するための情報として、電動機２９からの電動機状態(速度、温度等)、蓄電器３０からの蓄電器状態(温度、電圧等)、及び制御器３１からの制御器状態(電圧、電流、温度等)がそれぞれ常時入力され、この情報に基づいて異常の有無を判断する。

そして、正常時には、上記のように電動機２９に対する駆動指令を制御器３１に送り、異常時には電動機２９に対する非駆動指令(回生停止指令)を送る。

このような作用を含めた実施形態の作用を図２のフローチャートを用いて説明する。

制御開始後、ステップＳ１，Ｓ２で電動機２９、蓄電器３０、制御器３１からの状態信号に基づいてこれら及び配線を含めた電気システム全体の異常判定が行われる。

ここでＹＥＳ(すべて異常なし)となると、ステップＳ３で操作の有無及び旋回速度から旋回動作状態か否か、つまり旋回力行、減速のいずれかの状態であるか否かが判断される。

なお、「旋回力行」とは、旋回加速状態及び定常運転状態をいい、「減速」とは、リモコン弁１２が操作位置から中立側に戻し操作されての減速、及びリモコン弁１２が中立復帰操作されての減速の両状態をいう。

ステップＳ３でＹＥＳ(旋回動作状態)のときは、ステップＳ４で、両連通弁２５，２６のうち、操作側と反対側のもの(たとえば右旋回時には左側連通弁２５)を開く。

また、旋回の実速度と、リモコン弁操作量によって決まる目標速度(予めコントローラ２７にたとえばマップとして設定・記憶されている)との比較から旋回力行中か減速中かが判断され、旋回力行中と判断された場合は、連通弁２５，２６に対する開き指令のみが出力される。

この状態では、油圧モータ１１から吐出された油がコントロールバルブ１３を介さずに連通弁２５，２６によって直接タンクに戻るため、コントロールバルブ１３での絞り作用による背圧を無くすることができる。

これにより、旋回力行時のメータアウト側に作用する背圧を低減してメータイン側の圧力を落とし、ポンプ圧を低下させることができるため、油圧ポンプ１０の動力損失を抑えてエネルギーの無駄を省くことができる。

一方、減速中と判断されたときは、連通弁開き指令に加えて、電動機２９に対する駆動指令が制御器３１に送られる。

この駆動指令により、電動機２９が回生ブレーキ作動を行い、油圧モータ１１にブレーキがかけられるとともに、回生電力が蓄電器３０に蓄えられる。

つまり、電気システムが正常状態であれば、減速時に電動機２９と蓄電器３０による回生作用が働く。

これに対し、ステップＳ２でＮＯ(異常あり)と判断された場合、及びステップＳ３で旋回動作状態でない(旋回停止)と判断された場合は、いずれもステップＳ５に移行する。

なお、「異常」とは、たとえば電動機２９については加熱や過速度、過負荷等、蓄電器３０については高温、セル不均衡、過電圧、設定電圧異常等、制御器３１についてはセンサ異常、過電流、ＣＰＵ異常、入力過電圧、入力電圧不足、過熱等をいう。

ステップＳ５では、連通弁２５，２６を閉じるとともに、電動機２９に対する非駆動指令(回生作用を停止させる指令)が出される。

これにより、電動機２９及び蓄電器３０による回生作用が停止するとともに、リリーフ弁回路１８による油圧ブレーキ作用が働く。

このように、電気システムの正常時には、旋回力行時の背圧を低減してポンプ圧を低下させることができるとともに、減速時に電動機２９及び蓄電器３０による回生作用を行わせて旋回エネルギーを回生できるため、エネルギー効率を上げることができる。

一方、電気システムに異常が発生した場合に、連通弁２５，２６による連通を遮断するととともに、回生作用を停止させるため、いいかえれば、電動機２９も蓄電器３０も連通弁２５，２６もない通常の油圧ショベルと同じ状態にし、減速時にブレーキ弁による油圧ブレーキを働かせる構成としたから、旋回動作を確保して作業を継続することができる。

また、回生作用を停止させることにより、電動機２９及び蓄電器３０に過電流が流れたり過電圧がかかったりする事態を回避し、これらを保護することができる。

他の実施形態
(１) 上記実施形態では、連通弁として、モータ出口側管路をタンクＴに連通させる開き位置ａとこの連通を遮断する閉じ位置ｂとの間で切換わる連通弁２５，２６をモータ両側管路１４，１５とタンクＴとの間に設けたが、特許文献１に記載された短絡切換弁と同様に、モータ両側管路を短絡させる位置と、両側管路をコントロールバルブに接続する位置との間で切換わる連通弁をモータ両側管路とコントロールバルブとの間に設けてもよい。

この構成をとる場合、旋回減速時のみに連通弁を連通させて回生ブレーキを働かせることになる。

この構成によっても、上記実施形態と基本的に同じ作用効果を得ることができる。

(２) 上記実施形態では、速度センサ２９からの電動機速度信号を用いて旋回状態(旋回停止等)を判断する構成をとったが、たとえば旋回操作手段(リモコン弁１２)が中立位置となって一定時間が継続したことを旋回停止と判断する等、電動機速度信号を用いない他の手段によって旋回状態を判断する構成をとることもできる。

(３) 上記実施形態では、旋回停止状態でも連通弁を連通遮断位置に切換える構成をとったが、旋回停止状態では連通弁を連通位置のままとし、停止保持は電動機の位置保持制御やメカニカルブレーキ等によって行う構成をとってもよい。

(４) 本発明はショベルに限らず、ショベルを母体として構成される解体機や破砕機等の他の旋回式作業機械にも上記同様に適用することができる。

１下部走行体
２上部旋回体
１０油圧ポンプ
１１油圧モータ
１２旋回操作手段としてのリモコン弁
１３コントロールバルブ
１４左旋回管路
１５右旋回管路
１６ブレーキ弁としてのリリーフ弁
１８リリーフ弁回路
２１チェック弁回路
２２連通路
２３メークアップライン
２５，２６連通弁
Ｔタンク
２７制御手段としてのコントローラ
２９電動機
３０蓄電器
３１電動機・蓄電器制御器
３２，３３圧力センサ
３４速度センサ

Claims

下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体の旋回駆動源としての油圧モータと、この油圧モータにより回転駆動されて回生作用を行う電動機と、この電動機の回生電力を蓄える蓄電器と、上記油圧モータの圧油供給源としての油圧ポンプと、旋回の加速、定常運転、減速、停止を指令する旋回操作手段と、この旋回操作手段の操作に基づいて上記油圧モータに対する圧油の給排を制御するコントロールバルブと、上記油圧モータの両側管路に接続され減速操作時に油圧ブレーキ作用を行うブレーキ弁と、上記油圧モータの出口側管路を上記コントロールバルブを介さずに直接タンクまたは入口管路に連通させる連通位置とこの連通を遮断する連通遮断位置との間で作動する連通弁と、上記旋回操作手段の操作を検出する操作検出手段と、上記操作検出手段からの信号に基づいて上記連通弁を制御する制御手段とを具備し、この制御手段は、
(ｉ) 上記電動機及び蓄電器とそれぞれの制御系を含む電気システムからの信号に基づいて電動機と蓄電器による回生作用が不能または不適となる異常事態が発生したか否かを判断し、
(ｉｉ) 上記電気システムが正常状態で、かつ、少なくとも旋回減速時に上記連通弁を連通位置にセットするとともに、上記電動機に回生作用を行わせるための駆動指令を出力し、
(ｉｉｉ) 上記電気システムが異常状態になったときに、上記連通弁を連通遮断位置に切換えるとともに、電動機に回生作用を行わせないための非駆動指令を出力するように構成したことを特徴とする旋回式作業機械。
上記連通弁として、上記油圧モータの出口側管路を上記コントロールバルブを介さずに直接タンクに連通させる開き位置と、この連通を遮断する閉じ断位置との間で切換わり作動する切換弁を油圧モータの両側管路とタンクとの間に設け、上記電気システムが正常状態でかつ旋回動作中は上記連通弁を連通位置にセットするように構成したことを特徴とする請求項１記載の旋回式作業機械。
上記制御手段は、旋回停止時に上記連通弁を連通遮断位置に切換えるように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の旋回式作業機械。