JP5071572B1

JP5071572B1 - 旋回式作業機械

Info

Publication number: JP5071572B1
Application number: JP2011123307A
Authority: JP
Inventors: 浩司上田
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-06-01
Also published as: JP2012251329A

Abstract

【課題】旋回減速時だけでなく力行時にも回生作用を働かせて旋回エネルギーの回生効率をアップさせ、しかも大きな圧力変動を防止して操作性を改善する。
【解決手段】モータ両側管路１４，１５とタンクＴとの間に、旋回動作時にモータ出口側管路をタンクＴに連通させる連通弁２６，２７を設けるとともに、旋回用油圧モータ１１によって駆動される旋回電動機３０と蓄電器３１とを設け、旋回動作中、常に操作側と反対側の連通弁を開いて背圧を低減するとともに、この背圧低減分に相当する回生電力を旋回電動機３０に発生させて蓄電器３１に蓄えるように構成した。
【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５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、上部旋回体２を旋回駆動する旋回駆動システムとして特許文献１に記載されたものが公知である。

この公知技術においては、駆動源としての旋回用油圧モータに電動機を接続するとともに、モータ両側管路とコントロールバルブとの間に、モータ両側管路を短絡可能な短絡切換弁を設け、旋回減速時に、短絡切換弁によりモータ吐出油をモータ入口側に戻すとともに、電動機に発電機作用を行わせて回生発電し、発生した回生電力を蓄電器に蓄える構成がとられている。

この構成によると、短絡切換弁により旋回減速時にモータ出口側に作用する背圧を小さくして油圧モータの連れ回り負荷を低減し、これによって慣性運動エネルギーの回収(回生)効率を上げることができる。

なお、この構成をとる場合、モータ両側管路間に設けられた一対のリリーフ弁等から成る油圧ブレーキ装置は、旋回減速時には働かず、旋回停止直後の停止保持機能のみを果たす。

特開２０１０−６５５１０号公報

ところが、公知技術によると、上記のように旋回減速時の回生効率の向上には役立つが、旋回力行時、つまり起動を含む加速時及び定常運転時には回生作用は行われないため、旋回エネルギーの回生効率においてなお不十分であった。

また、短絡切換弁は旋回力行時には開通位置にあり、回生時(減速時)に短絡位置に切換わるため、この切換わる瞬間に大きな圧力変動が生じ、この点で操作性が悪くなるという問題もあった。

そこで本発明は、旋回減速時だけでなく力行時にも回生作用を働かせて旋回エネルギーの回生効率を向上させることができ、しかも公知技術のような大きな圧力変動を無くして操作性を改善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旋回用の油圧モータと、この油圧モータにより回転駆動される旋回電動機と、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を備えた旋回式作業機械において、上記旋回操作手段の操作を検出する旋回操作検出手段と、モータ出口側管路をタンク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、上記旋回操作検出手段からの信号に基づいて上記旋回電動機の回生作用及び上記連通弁の作動を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記上部旋回体の旋回動作時に、上記連通弁を連通位置にセットするとともに、この連通弁による背圧の低減分に相当する回生量を上記旋回電動機に指令する回生制御を行うように構成したものである。

このように、力行時、減速時を問わず、旋回動作中を通じて、連通弁により、モータ吐出油をタンクに戻すことによって背圧を低減し、この背圧低減分に相当するだけの回生電力を発生させる構成であるため、旋回力行時のポンプ動力を上げずに回生効率を向上させ、トータルでの省エネ効果を高めることができる。

また、旋回動作中は、終始、連通弁を開いた状態とするため、特許文献１の技術のような切換弁の切換えによる圧力変動がなく、良好な操作性を確保することができる。

この場合、旋回速度を検出する旋回速度検出手段と、上記油圧モータの出口側圧力を検出する圧力検出手段とを設け、上記制御手段は、上記旋回操作手段の操作量によって決まる上記コントロールバルブのメータアウト開口面積と、旋回速度によって決まるモータ流量とから、上記連通弁が無いものとしたときのモータ出口側圧力を算出し、この算出値からモータ出口側圧力の検出値を引いて背圧の低減分を求め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、背圧低減分を正確に割り出し、回生電力の過不足のない適正な回生制御を行うことができる。

ところで、旋回式作業機械においては、通常、旋回用油圧モータを含めた複数の油圧アクチュエータを一つの油圧ポンプで駆動する構成がとられる。

この構成において、旋回単独操作時には、元々、旋回力行中のポンプ圧がさほど高くならず、背圧も低い半面、この状態で回生作用を行わせるとポンプ圧が上昇するため、全旋回動作を通じたトータルでの省エネ効果が下がる可能性がある。

一方、複合操作時には、他の油圧アクチュエータの作動圧によってポンプ圧が上昇し、背圧低減のメリットも回生効率の向上効果も大きくなるため、トータルでの省エネ効果が高くなる。

そこで、油圧ポンプを、旋回用の油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータで共用する構成をとる場合に、上記制御手段は、上記旋回用の油圧モータのみが作動する旋回単独操作時には上記回生制御を行わず、上記旋回用の油圧モータと他の油圧アクチュエータとが同時に作動する複合操作時のみに上記回生制御を行うように構成するのが望ましい(請求項３)。

このように回生制御を旋回単独操作時には行わず、複合操作時のみに行うことで省エネ効果を最大限に高めることができる。

本発明によると、旋回減速時だけでなく力行時にも回生作用を働かせて旋回エネルギーの回生効率を向上させることができ、しかも公知技術のような大きな圧力変動がなくて操作性を改善することができる。

本発明の実施形態を示すシステム構成図である。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。連通弁を設けない従来の旋回駆動システムにおける旋回操作量とコントロールバルブのメータアウト開口面積の関係を示す図である。本発明の第２実施形態を示すフローチャートである。本発明の適用対象であるショベルの概略側面図である。

本発明の第１及び第２両実施形態を図１〜図４によって説明する。実施形態はショベルを適用対象としている。

図１は両実施形態に係る旋回駆動システムの全体構成を示す。

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図５の上部旋回体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(１２ａは操作用のレバーである)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、旋回の起動を含む加速、速度一定での定常運転、減速、停止の各動作、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（以下、図左側を左旋回管路、右側を右旋回管路という場合がある）１４,１５間には、それぞれ一対のリリーフ弁１６,１７とチェック弁１８,１９を備えた油圧ブレーキ装置２０が設けられている。

なお、両リリーフ弁１６，１７同士をつなぐリリーフ弁回路２１と、チェック弁１８，１９同士をつなぐチェック弁回路２２とが通路２３で接続され、この通路２３が油吸い上げ用のメークアップライン２４によってタンクＴに接続されている。２５はメークアップライン２４に設けられた背圧弁である。

ここまでの構成は従来の油圧ショベルの旋回駆動システムと同じであり、上記構成のみによる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(レバー１２ａが中立のとき)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、すなわち起動を含む加速または速度一定の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、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油圧ブレーキ装置２０が働いて上部旋回体２が減速し停止する。

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２４、通路２３、チェック弁回路２２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、上記構成に加えて、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２６，２７が設けられている。

連通弁２６，２７は、制御手段としてのコントローラ２８からの信号によって開き位置ａと閉じ位置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２９を介して油圧ブレーキ装置２０の通路２３にそれぞれ接続されている。

ここで、通路２３は、メークアップライン２４を介してタンクＴに接続されているため、連通弁２６，２７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旋回電動機３０と、蓄電器３１とが設けられ、旋回電動機３０の回生作用によってに発生した回生電力が蓄電器３１に蓄えられるように構成されている。

一方、検出手段として、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)を検出する旋回操作検出手段としての圧力センサ３２，３３と、旋回電動機３０の回転速度(旋回速度)を検出する旋回速度検出手段としての速度センサ３４と、油圧モータ１１の両側ポート圧力(旋回動作時のモータ出口側圧力)を検出する圧力検出手段としての圧力センサ３５，３６とが設けられ、これらからの信号(操作信号、速度信号、圧力信号)がコントローラ２８に入力される。

コントローラ２８は、各センサ３２〜３６からの信号に基づいて旋回動作状態か停止状態かを判断し、旋回動作時、つまり起動を含む加速時、定常運転時、減速時を通じて旋回動作中は常に、連通弁２６，２７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２６を、左旋回時には右側連通弁２７．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、旋回動作時には、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、反対側両連通弁２６または２７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、油圧モータ１１、左旋回管路１４、左側連通弁２６、通路２９、通路２３、メークアップライン２４のルートでタンクＴに戻る。このため、戻り油はコントロール１３での絞り作用を受けない。

これにより、旋回動作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の動力損失を抑えることができる。

この旋回動作中、旋回電動機３０は油圧モータ１１により駆動されて所謂連れ回り回転し、この間、コントローラ２８からの回生指令に基づいて発電機(回生)作用を行う。

この回生作用により、旋回動作中、常に蓄電器３１が充電されるとともに、減速時には回生ブレーキにより油圧モータ１１が制動されて上部旋回体が減速／停止する。

そして、旋回停止後、コントローラ２８からの指令によって連通弁２６，２７が閉じ位置ｂに切換わる。

この旋回停止状態で油圧ブレーキ装置２０のブレーキ作用によって図５の上部旋回体２が停止保持される。

図１中、３７はメインリリーフ弁である。

第１実施形態におけるコントローラ２８の作用を図２のフローチャートによって説明する。

制御開始後、ステップＳ１で旋回操作信号があるか(旋回操作されたか)否かが判断され、ＹＥＳの場合にステップＳ２で旋回速度信号があるか否か(旋回動作中か)が判断される。

ステップＳ１でＮＯ(旋回操作されていない)のときは、ステップＳ３で旋回速度信号があるか否かが判断され、ここでＹＥＳのときは、旋回減速のために旋回リモコン弁１２が中立復帰操作されているが上部旋回体２はなお慣性で旋回しているとしてステップＳ２に移行する。

ステップＳ２では旋回速度信号が有るか否かが判断され、ＹＥＳのときにステップＳ４で反対側連通弁２６または２７を開く。

続くステップＳ５〜Ｓ７では、旋回操作量と旋回速度から、連通弁２６，２７が無い(従来回路と同じ)とした場合のモータ出口側圧力ΔＰを算出するとともに、この出口側圧力の算出値ΔＰからモータ出口側圧力の検出値Ｐ１を引いて背圧の低減分を求め、この背圧低減分に相当する回生量(回生トルク)を決定して旋回電動機３０に指令する。

詳述すると、コントローラ２８には、図３に示す、旋回操作量とコントロールバルブ１３のメータアウト開口面積の関係を表す開口特性が予め記憶され、この開口特性と、検出された旋回操作量からメータアウト開口面積Ａを算出する。

また、検出された旋回速度から油圧モータ１１に流れる流量(旋回流量)Ｑを算出するとともに、この旋回流量Ｑと、上記算出されたメータアウト開口面積Ａを用いて、下記式により出口側圧力ΔＰを算出する(ステップＳ５)。

Ｑ＝Ｃｄ・Ａ√(２ΔＰｂ／ρ)
Ｃｄ：流量係数
ρ ：流体密度
そして、出口側圧力の算出値ΔＰと検出値Ｐ１から、
ΔＰ−Ｐ１
により、連通弁２６，２７による背圧の低減分を求め、この背圧低減分に相当する回生量を決定し(ステップＳ６)、ステップＳ７でこの回生量を旋回電動機３０に指令してステップＳ１に戻る。

なお、ステップＳ３でＮＯ(旋回操作されていないし旋回速度も出ていない)のときは、旋回停止状態であるとしてステップＳ８で連通弁２６，２７を閉じた後、またステップＳ２でＮＯ(旋回操作されているが旋回速度は出ていない)のときは、押し付け作業等によって実際の旋回動作が行われていないとして直接、それぞれステップＳ９に移行し、旋回電動機３０への回生指令無しとしてステップＳ１に戻る。

このこのように、力行時、減速時を問わず、旋回動作中を通じて、連通弁２６，２７により、モータ吐出油をタンクＴに戻すことによって背圧を低減するとともに、旋回電動機３０によってこの背圧低減分に相当するだけの回生電力を発生させる構成であるため、旋回力行時のポンプ動力を上げずに回生効率を向上させ、トータルでの省エネ効果を高めることができる。

また、旋回動作中は、終始、反対側連通弁２６または２７を開いた状態とするため、特許文献１記載の公知技術のような切換弁の切換えによる圧力変動がなく、良好な操作性を確保することができる。

また、旋回操作量によって決まるコントロールバルブ１３のメータアウト開口面積Ａと、旋回速度によって決まるモータ流量Ｑとから、連通弁２６，２７が無いものとしたときのモータ出口側圧力ΔＰを算出し、この算出値ΔＰからモータ出口側圧力の検出値Ｐ１を引いて背圧の低減分を求めるため、背圧低減分を正確に割り出し、回生電力の過不足のない適正な回生制御を行うことができる。

次に、図４によって第２実施形態を説明する。

ショベルにおいては、通常、旋回用油圧モータ１１を含めた複数の油圧アクチュエータを一つの油圧ポンプで駆動する構成がとられる。

この構成において、旋回単独操作時には、元々、旋回力行中のポンプ圧がさほど高くならず、背圧も低い半面、この状態で旋回電動機３０に回生作用を行わせるとポンプ圧が上昇するため、全旋回動作を通じたトータルでの省エネ効果が下がる可能性がある。

一方、複合操作時には、旋回用油圧モータ１１以外の油圧アクチュエータの作動圧によってポンプ圧が上昇し、背圧低減のメリットも回生効率の向上効果も大きくなるため、トータルでの省エネ効果が高くなる。

そこで、第２実施形態においては、油圧ポンプ１０を旋回用の油圧モータ１１を含む複数の油圧アクチュエータで共用する構成をとる場合に、旋回用油圧モータ１１のみが作動する旋回単独操作時には上記した回生制御を行わず、旋回用油圧モータ１１と他の油圧アクチュエータとが同時に作動する複合操作時のみに上記回生制御を行うように構成されている。

詳述すると、図４中のステップＳ１１〜Ｓ１３は図２中(第１実施形態)のステップＳ１〜Ｓ３と同じである。

ステップＳ１４で他のアクチュエータ操作が有る(複合操作)か否かが判断され、ＹＥＳの場合は、ステップＳ１５〜Ｓ１８で、図２のステップＳ４〜Ｓ７と同様に連通弁開き、モータ出口側圧力ΔＰ算出、旋回電動機３０の回生量決定、旋回電動機３０への回生指令の各処理を行う。

ステップＳ１３でＮＯ(旋回操作も旋回速度も無い)のときは、旋回停止状態であるとしてステップＳ１９で連通弁２６，２７を閉じた後、またステップＳ１２及びステップＳ１４でＮＯの場合は直接、それぞれステップＳ２０に移り、旋回電動機３０への回生指令無しとしてステップＳ１１に戻る。

このように、回生制御を旋回単独操作時には行わず、複合操作時のみに行うことで省エネ効果を最大限に高めることができる。

他の実施形態
(１) 上記実施形態では、連通弁２６，２７の出口側を通路２９を介して油圧ブレーキ装置２０の通路２３に接続する構成、すなわち、メークアップライン２４を、連通弁２６，２７の出口側をタンクＴにつなぐラインとして共用する構成をとったが、連通弁２６，２７の出口側を専用のタンク接続ラインでタンクＴに接続する構成をとってもよい。

(２) 上記実施形態では、モータ両側管路１４，１５ごとに連通弁２６，２７を設けたが、両側管路１４，１５に共用される一つの連通弁を設け、この連通弁を閉じ位置(中立位置)の左右の開き位置との間で切換制御する構成をとってもよい。

(３) 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
１１旋回用油圧モータ
１２旋回操作手段としての旋回リモコン弁
１３コントロールバルブ
１４，１５モータ両側管路
２６，２７連通弁
２８制御手段としてのコントローラ
３０旋回電動機
３１蓄電器
３２，３３旋回操作検出手段としての圧力センサ
３４旋回速度検出手段としての旋回速度センサ
３５，３６モータ出口側圧力を検出する圧力センサ

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旋回用の油圧モータと、この油圧モータにより回転駆動される旋回電動機と、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を備えた旋回式作業機械において、上記旋回操作手段の操作を検出する旋回操作検出手段と、モータ出口側管路をタンク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、上記旋回操作検出手段からの信号に基づいて上記旋回電動機の回生作用及び上記連通弁の作動を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記上部旋回体の旋回動作時に、上記連通弁を連通位置にセットするとともに、この連通弁による背圧の低減分に相当する回生量を上記旋回電動機に指令する回生制御を行うように構成したことを特徴とする旋回式作業機械。
旋回速度を検出する旋回速度検出手段と、上記油圧モータの出口側圧力を検出する圧力検出手段とを設け、上記制御手段は、上記旋回操作手段の操作量によって決まる上記コントロールバルブのメータアウト開口面積と、旋回速度によって決まるモータ流量とから、上記連通弁が無いものとしたときのモータ出口側圧力を算出し、この算出値からモータ出口側圧力の検出値を引いて背圧の低減分を求め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。
上記油圧ポンプは、旋回用の油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータに共用され、上記制御手段は、上記旋回用の油圧モータのみが作動する旋回単独操作時には上記回生制御を行わず、上記旋回用の油圧モータと他の油圧アクチュエータとが同時に作動する複合操作時のみに上記回生制御を行う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。