JP5353849B2 - 建設機械 - Google Patents

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Description

本発明は油圧ユニットと電動ユニットを駆動ユニットとして併用するショベル等の建設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４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Ｏのまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に作業アタッチメント３が装着されて構成される。
このショベルにおいて、旋回駆動ユニットとして、油圧モータを駆動源とする油圧ユニットと、電動機を駆動源とする電動ユニットを併用するものが公知である(特許文献１参照)。
図５はこの併用式ショベルの旋回駆動部の構成を示す。
４は下部走行体１のフレーム(走行フレーム)で、この走行フレーム４上に上部旋回体２のアッパーフレーム５が旋回軸受６を介して搭載され、旋回駆動ユニットＵによってこのアッパーフレーム５が地面に対し鉛直な軸Ｏのまわりに旋回駆動される。
旋回駆動ユニットＵは、油圧ユニットＵ１と電動ユニットＵ２とによって構成される。
油圧ユニットＵ１は、駆動源としての油圧モータ７と、この油圧モータ７の回転力を減速する減速機８と、この減速機８の出力軸に取付けられたピニオン９とから成り、このピニオン９と、旋回軸受６の内輪６ａに設けられた内歯車(旋回歯車)１０とが歯合してモータ回転力がアッパーフレーム５に旋回力として伝えられる。
電動ユニットＵ２は、駆動源としての電動機１１と、この電動機１１の回転力を減速する減速機１２と、この減速機１２の出力軸に取付けられたピニオン１３とによって構成され、ピニオン１３が油圧ユニットＵ１のピニオン９と異なる周方向位置で内歯車１０に歯合する。
そして、旋回力行時(旋回加速時及び上り旋回速度の保持時)に、この電動ユニットＵ２で油圧ユニットＵ１をアシストし、旋回制動時には電動機１１を発電機として作用させ、その回生電力を蓄電器に充電する構成をとっている。
両ユニットＵ１，Ｕ２の駆動部の回路構成を図６によって説明する。
１４はエンジン１５によって駆動される油圧ポンプで、この油圧ポンプ１４の吐出油が、操作手段としての旋回リモコン弁１６によって操作される油圧パイロット式のコントロールバルブ１７を介して油圧モータ７に供給されることによって油圧モータ７が回転する。
すなわち、旋回リモコン弁１６が左または右に加速(力行)操作されると、油圧モータ７が操作量に応じた速度で回転して旋回力行状態となる。
そして、旋回停止または減速時には同リモコン弁１６が中立側に操作され、図示しない油圧ブレーキ弁による制動作用が働く。
なお、旋回リモコン弁１６がレバー操作されることから、以下、同リモコン弁１６の操作を「レバー操作」、その操作量を「レバー操作量」という。
また、油圧ポンプ１４の吐出側にリリーフ弁(図示しない)が設けられ、加・減速時に速度に対する余剰油がこのリリーフ弁からタンクに排出される。
この油圧モータ回路のセンサとして、旋回リモコン弁１６の両側パイロット圧(＝レバー操作量)Ｐａを検出するパイロット圧センサ１８,１９と、旋回作動圧を求めるために油圧モータ７の両側圧力Ａ,Ｂ(旋回作動圧はＡ−Ｂ)を検出するモータ圧センサ２０,２１とが設けられ、これら各センサ１８〜２１からの信号が、制御手段を構成するコントローラ２２に入力される。
電動機１１は、バッテリ(二次電池)やキャパシタ(電気二重層コンデンサ)等の蓄電器２３を電源として駆動され、コントローラ２２と、制御手段の一部であるインバータ２４とによって加・減速トルク等が制御される。
具体的には次の作用が行われる。
コントローラ２２において、パイロット圧センサ１８，１９からの信号に基づいてレバー操作の有無が判断されるとともに、同センサ信号と、パイロット圧センサ１８，１９からのパイロット圧信号(両側圧力の差＝旋回作動圧)とに基づいて旋回方向及び旋回速度、加速(または減速)の要求トルクの割り出し、旋回加速／定常／減速の区別等が行われ、その結果に応じてコントローラ２２からインバータ２４に電動機１１に対する指令が出される。
詳しくは、求められた加速要求トルクが設定値を上回る場合に、電動機１１による旋回アシストを行うべきとして電動機１１に加速トルクを発生させる。
一方、定常速度または設定速度になったとき(あるいは加速要求トルクが設定値以下に下がったとき)に、電動機１１の加速トルク出力を停止させ、電動機１１を慣性回転させて発電機として作用させる。
また、旋回減速・停止時にも回生作用を行わせ、発生した回生電力を蓄電器２３に充電電力として供給(蓄電)する。
この併用式のショベルによると、電動ユニットＵ２で油圧ユニットＵ１をアシストするため、全体として必要な最大トルクは確保しながら、電動ユニットＵ２のアシスト分を調整することにより、必要かつ十分なトルクを発生させることができる。このため、省エネルギーとなるとともに、過剰トルクによるハンチングの発生を防止できる等の利点を有する。
ところで、併用式ショベルの電動ユニットＵ２は高出力が求められるため、その電源となる蓄電器２３には、端子間電圧が比較的高い(数百ボルト)ものが用いられる。
そこで、蓄電器２３の交換時や廃棄時といった、蓄電器２３を直接取り扱う作業時(非定常作業時)に、作業員の安全を確保するためにその端子間電圧を安全値(零レベルまたは安全な低電圧値)まで低下させる(放電させる)必要がある。
この点に関する技術として、ハイブリッド建設機械において、放電指令に基づいて発電電動機を負荷(発電機)として作用させ、蓄電器電力を放出させる技術が公知である(特許文献２参照)。
特開２００５−２９０８８２号公報 特開２００９−２６８２２２号公報
特許文献２に示された公知の蓄電器放電技術を、特許文献１(図５，６)に示された旋回駆動部に応用する場合、蓄電器２３から電動機１１に通電して実際に旋回作動を行わせることで放電させることになる。
しかし、旋回作動を停止させようとすると、回生作用が働くため、その回生電力を蓄電器２３に蓄電させない工夫として、電動機制御回路中に抵抗器を設け、熱として消費させる必要がある。また、この熱抵抗が大きい場合には冷却が必要となる。
このため、コスト、設備スペースの点で不利となる。
そこで本発明は、旋回駆動装置のように機械を動かすための駆動ユニットとして油圧ユニットと電動ユニットを併用する構成を前提として、蓄電器の端子間電圧を低下させるために電動機を駆動して放電させる構成をとりながら、停止時の回生電力を熱変換する必要のない建設機械を提供するものである。
上記問題を解決するために、本発明は次のような構成を採用した。
本発明は、作動指令を出力する操作手段と、この操作手段の操作に基づいて駆動側と回生側とに作動する作業装置と、油圧モータを駆動源として上記作業装置を駆動する油圧ユニットと、電動機を駆動源として上記油圧ユニットをアシストする電動ユニットと、上記電動機の電源としての蓄電器と、制御手段とを備え、上記制御手段は、作業装置を駆動側に作動させる駆動操作時に上記蓄電器の電力により上記電動機を駆動して上記油圧ユニットをアシストし、作業装置を回生側に作動させる回生操作時に上記電動機に回生電力を発生させて上記蓄電器に充電電力として供給するように構成された建設機械において、上記蓄電器の放電を指令する放電指令手段を備え、上記制御手段は、この放電指令手段からの指令に基づき、上記作業装置の駆動操作時に上記電動機を駆動して上記蓄電器の端子間電圧を低下させ、上記回生操作時に上記油圧ユニットのみによって作業装置を減速・停止させるように構成されたものである(請求項１)。
このように、放電指令手段からの放電指令に基づき、作業装置の駆動操作時に電動機を駆動して蓄電力を放出させ、その端子間電圧を低下させる一方、回生操作時には油圧ユニットのみによって作業装置を減速・停止させるため、回生作用が働かない。すなわち、放電はするが回生はせず、回生電力を発生させずにすむ。
従って、回生電力を抵抗器によって熱として消費させる必要がないため、抵抗器及び抵抗熱吸収用の冷却装置といった追加設備が不要となる。
なお、油圧ユニットのみによる作業装置の減速・停止によって油圧発熱が生じるが、この熱は、油圧システムに元々設置されているオイルクーラによって外部放出することができるため、追加設備は要らない。
また、本発明は、請求項１の構成において、上記制御手段は、上記放電指令に基づき、上記作業装置の駆動操作時に上記電動機に最大アシスト動力を指令するように構成されるのが好ましい(請求項２)。
この発明によれば、放電操作時の電動機のアシスト動力が最大となるため、放電に要する時間を最小に短縮することができる。
さらに本発明は、請求項１または２の構成において、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作業装置としての上部旋回体とを備え、上記油圧ユニット及び電動ユニットはこの上部旋回体を旋回駆動する旋回駆動ユニットとして設けられ、上記制御手段は、旋回力行操作を上記駆動操作として上記電動機を駆動して上記油圧ユニットをアシストし、旋回減速または停止操作を上記回生操作として上記電動機に回生電力を発生させるように構成されたものである(請求項３)。
この発明によると、高い回生エネルギーが発生する旋回駆動系において、放電操作時に回生電力を発生させないことで、熱消費のための大型の追加設備を省略できる点で実益が大きい。
本発明はまた、請求項１〜３のいずれかの構成において、上記蓄電器の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、表示手段とが設けられ、上記制御手段は、上記電圧検出手段によって検出された端子間電圧が予め設定された安全値まで低下したときにその旨を上記表示手段に表示させるように構成されたものである(請求項４)。
この発明によると、蓄電器の端子間電圧が安全値まで低下したときにその旨を表示手段によって表示するため、単に端子間電圧の推移を数字の変化で表示するだけの場合と比較して、安全値に達したこと、及び放電のための操作を終了して良いことを作業員に明確に認識させることができる。このため、安全確保及び作業能率の点でより好ましいものとなる。
上記のように本発明によると、回生電力を熱消費させるための追加設備が不要となるため、コスト、設備スペースの点で有利となる。
本発明の実施形態にかかるショベルの旋回駆動部の回路構成を示す図である。 同実施形態による作用を説明するためのフローチャートである。 図２と異なる実施形態による作用を説明するための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。 旋回駆動ユニットとして油圧ユニットと電動ユニットを併用する併用式のショベルにおける油圧旋回駆動部の一部断面側面図である。 併用式ショベルの旋回駆動部の回路構成図である。
実施形態は、背景技術の説明に合わせて旋回駆動ユニットとして油圧ユニットと電動ユニットを併用するショベルを適用対象としている。
実施形態において、次の点は図５，６に示す公知技術と同じである。
(ｉ) 下部走行体の走行フレーム上に上部旋回体のアッパーフレームが旋回軸受を介して搭載され、油圧ユニットと電動ユニットとから成る旋回駆動ユニットによってアッパーフレームが旋回駆動される点。
(ｉｉ) 油圧ユニットは、駆動源としての油圧モータ７と、この油圧モータ７の回転力を減速する減速機と、この減速機の出力軸に取付けられたピニオンとから成り、このピニオンと、旋回軸受の内輪に設けられた内歯車(旋回歯車)とが歯合してモータ回転力がアッパーフレームに旋回力として伝えられる点。
(ｉｉｉ) 電動ユニットは、駆動源としての電動機１１と、この電動機１１の回転力を減速する減速機と、この減速機の出力軸に取付けられたピニオンとによって構成され、ピニオンが油圧ユニットのピニオンと異なる周方向位置で内歯車に歯合する点。
(ｉｖ) 旋回力行時(旋回加速時及び上り旋回速度の保持時)に、電動ユニットで油圧ユニットをアシストし、旋回制動時には電動機１１を発電機として作用させ、その回生電力を蓄電器２３に充電する点。
図１は、実施形態にかかるショベルにおける旋回駆動部の回路構成を示す。
図１において、次の点は図６に示す公知技術と同じである。
(Ｉ) エンジン１５によって油圧ポンプ１４が駆動され、この油圧ポンプ１４の吐出油が、操作手段としての旋回リモコン弁１６によって操作される油圧パイロット式のコントロールバルブ１７を介して油圧モータ７に供給されることによって油圧モータ７が回転する点、すなわち、旋回リモコン弁１６が左または右に力行操作されると、油圧モータ７が操作量に応じた速度で回転して旋回力行状態となる点。
(ＩＩ) この油圧モータ回路のセンサとして、旋回リモコン弁１６の両側パイロット圧(＝レバー操作量)Ｐａを検出するパイロット圧センサ１８,１９と、旋回作動圧を求めるために油圧モータ７の両側圧力Ａ,Ｂ(旋回作動圧はＡ−Ｂ)を検出するモータ圧センサ２０,２１とが設けられ、これら各センサ１８〜２１からの信号が、制御手段を構成するコントローラ２５に入力される点。
(ＩＩＩ) 電動機１１は、バッテリ(二次電池)やキャパシタ(電気二重層コンデンサ)等の蓄電器２３を電源として駆動され、コントローラ２５と、制御手段の一部であるインバータ２４とによって加・減速トルク等が制御される点。
(ＩＶ) 具体的には、コントローラ２５において、パイロット圧センサ１８，１９からの信号に基づいてレバー操作の有無が判断されるとともに、同センサ信号と、パイロット圧センサ１８，１９からのパイロット圧信号(両側圧力の差＝旋回作動圧)とに基づいて旋回方向及び旋回速度、加速(または減速)の要求トルクの割り出し、旋回加速／定常／減速の区別等が行われ、その結果に応じてコントローラ２２からインバータ２４に電動機１１に対する指令が出される点。
(Ｖ) 詳しくは、求められた加速要求トルクが設定値を上回る場合に、電動機１１による旋回アシストを行うべきとして電動機１１に加速トルクを発生させる点。
(ＶＩ) また、定常速度または設定速度になったとき(あるいは加速要求トルクが設定値以下に下がったとき)に、電動機１１の加速トルク出力を停止させるとともに、電動機１１を慣性回転させて発電機として作用させ、旋回減速・停止時にも回生作用を行わせて、回生電力を蓄電器２３に蓄電する点。
このショベルにおいては、オペレータによって操作される放電指令手段としての放電スイッチ２６が設けられ、この放電スイッチ２６がオン操作されると、その信号が放電指令としてコントローラ２５に入力される。
また、蓄電器２３の端子間電圧を検出する電圧検出器２７と、この電圧検出器２７で検出された端子間電圧及びこれが安全値に達した旨をコントローラ２５からの表示信号に基づいて表示する表示手段としてのモニタ２８とが設けられている。
なお、モニタ２８は映像のみを表示するものでもよいし、映像と音声の両方で表示するものでもよい。あるいは、モニタ２８に代えて音声のみで表示する表示手段を用いてもよい。
コントローラ２５は、放電スイッチ２６からの放電指令が無い定常操作時と、放電指令が出された後の放電操作時とに応じて異なる電動機制御を行う。
図２，３によって詳述する。
図２は第１実施形態、図３は第２実施形態をそれぞれ示す。
第１実施形態においては、制御開始とともに、ステップＳ１で放電スイッチ２６がＯＮ操作されたか否かが判断される。
ここでＮＯ(ＯＮ操作無し＝放電指令無し)の場合は、直接ステップＳ２に、ＹＥＳ(ＯＮ操作有り)の場合はステップＳ３でそのときの蓄電器２３の端子間電圧をモニタ２８に表示させた上でステップＳ２にそれぞれ移行する。
ステップＳ２では旋回のレバー操作があったか否かが判断され、ＮＯ(レバー操作無し)の場合は制御不要としてステップＳ１に戻り、レバー操作有りと判断された場合にステップＳ４に移る。
ステップＳ４では、レバー操作が力行(駆動側)操作か、回生(減速または停止)操作かが判別され、力行操作と判別されると、ステップＳ５で電動ユニットのアシスト動力が演算され、ステップＳ６で、演算されたアシスト動力での電動アシスト指令がインバータ２４に出力される。
具体的には、ステップＳ５において、レバー操作量、旋回作動圧、旋回速度から加速要求トルクを求め、これが設定値を上回る場合に、電動機１１による旋回アシストを行なうべきとして、ステップＳ６で電動機１１に加速トルクを発生させる
この場合、電動機１１に発生させる加速トルクは、たとえば、油圧回路でリリーフしなくても(またはリリーフ時間ができるだけ短くなる)加速トルクが得られる大きさとする。
これにより、電動機１１が旋回力行動作のアシストを開始してステップＳ１に戻る。
一方、ステップＳ４で回生操作であると判別されると、ステップＳ７であらためて放電スイッチ２６がＯＮ操作されたか否かが判断される。
ここでＮＯ(ＯＮ操作無し)の場合は、定常回生制御として、ステップＳ８で電動ユニットの回生動力演算、ステップＳ９でその動力での回生指令が出された後、ステップＳ１に戻る。
これにより、電動機１１に発生した回生電力が蓄電器２３に充電電力として供給され、蓄電される。
これに対し、ステップＳ７でＹＥＳ、つまり放電スイッチ２６がＯＮ操作された(放電指令が出された)と判断した場合は、そのまま何もせずに、すなわち、ステップＳ８の回生動力演算、及びステップＳ９の回生指令という操作を一切行わずにステップＳ１に戻る。
このように、放電指令が出された後の旋回操作において、力行操作時に電動機駆動により蓄電力を放出して蓄電器２３の端子間電圧を低下させる一方、これに続く回生操作時に油圧ユニット(油圧モータ７)のみによって減速・停止させるため、回生作用が働かない。すなわち、放電はするが回生はせず、回生電力を発生させずにすむ。
従って、回生電力を抵抗器によって熱として消費させる必要がないため、抵抗器及び抵抗熱吸収用の冷却装置といった追加設備が不要となる。コスト、設備スペースの点で有利となる。
とくに、この旋回駆動系の場合、高い回生エネルギーが発生するため、熱消費のための設備も大型となるところ、この追加設備が不要となることで省コスト、省スペース面での実益が大きいものとなる。
なお、蓄電器２３の端子間電圧は、放電指令後、モニタ２８によってオペレータ向けに常時表示されるため、上記放電指令後の力行／回生両操作の繰り返しによって端子間電圧が安全値まで低下した時点で放電操作を終了し、蓄電器２３の交換や廃棄等を行えばよい。
図３に示す第２実施形態においては、図１の回路構成は第１実施形態と同じであるが、制御内容において、放電指令後の力行操作時の電動アシストの内容と、モニタ２８での表示内容とが第１実施形態と異なる。次に詳述する。
図３中のステップＳ１１〜Ｓ１６は図２中のステップＳ１〜６と同じである。
第２実施形態においては、ステップＳ１４の「力行／回生」の操作判別で「回生」が判別された場合に、定常制御として、ステップＳ１７で電動ユニット回生動力演算、ステップＳ１８で電動ユニット回生指令が行われる。
一方、ステップＳ１１で放電スイッチＯＮが判別された場合に、ステップＳ１３で蓄電器端子間電圧をモニタ表示した後、ステップＳ１９において蓄電器端子間電圧が予め設定された安全レベル(零レベルまたは安全な低電圧)に達したか否かが判別される。
ここでＮＯの場合は直接ステップＳ２０に移行し、ＹＥＳのときにはステップＳ２１でモニタ２８にその旨(たとえば「蓄電器を安全に取外せます」)を表示させた後、ステップＳ２０に移行する。
ステップＳ２０ではレバー操作有りか否か、続くステップＳ２２では「力行操作」か「回生操作」かが判別され、「回生操作」であれば、図２中のステップＳ７からステップＳ１へのリターンと同様に、何もせずに(回生作用を行わせずに)ステップＳ１に戻る。
従って、第１実施形態と同様に、回生作用が行われず、回生電力は発生しない。
これに対し、「力行操作」であれば、ステップＳ２３において電動ユニットの最大アシスト動力をインバータ２４に指令する。
これにより、電動機１１が定格によって決まる最大トルクで油圧ユニットをアシストする。
従って、放電電力も最大となるため、蓄電器２３の放電(端子間電圧の低下)に要する時間を最小に短縮することができる。
この場合、最大アシスト力は、油圧ユニットの駆動トルクが０またはそれに近い値となるように設定してもよいし、定常制御時の最大アシスト力と同等、またはそれよりも大きい値に設定してもよい。
また、蓄電器端子間電圧が安全値まで低下したときにその旨をモニタ表示するため、単に端子間電圧の推移を数字の変化で表示するだけの場合と比較して、安全値に達したこと、及び放電のための操作を終了して良いことを作業員に明確に認識させることができる。このため、安全確保及び作業能率の点でより好ましいものとなる。
他の実施形態
(１) 本発明はショベルに限らず、ショベルと同様に下部走行体上に上部旋回体を搭載して構成される作業機械(ショベルを母体として構成される解体機や破砕機を含む)に広く適用することができる。
(２) 上記実施形態では、旋回駆動系を適用対象としたが、回生動作が行われる作業装置の駆動系、たとえば作業アタッチメント(とくにブーム)の駆動系にも適用することができる。
この場合、ブーム上げ操作が駆動操作、ブーム下げ操作が回生操作となる。
１ 下部走行体
２ 上部旋回体
７ 油圧ユニットを構成する油圧モータ
８ 同、減速機
９ 同、ピニオン
１１ 電動ユニットを構成する電動機
１２ 同、減速機
１３ 同、ピニオン
１４ 油圧ポンプ
１５ エンジン
１６ 操作手段としての旋回リモコン弁
１７ コントロールバルブ
１８，１９ 駆動操作、回生操作を検出するためのパイロット圧センサ
２０，２１ モータ圧センサ
２３ 蓄電器
２４ 制御手段を構成するインバータ
２５ 同、コントローラ
２６ 放電指令手段としての放電スイッチ
２７ 蓄電器の端子間電圧を検出する電圧検出器
２８ 表示手段としてのモニタ

Claims (4)

  1. 作動指令を出力する操作手段と、この操作手段の操作に基づいて駆動側と回生側とに作動する作業装置と、油圧モータを駆動源として上記作業装置を駆動する油圧ユニットと、電動機を駆動源として上記油圧ユニットをアシストする電動ユニットと、上記電動機の電源としての蓄電器と、制御手段とを備え、上記制御手段は、作業装置を駆動側に作動させる駆動操作時に上記蓄電器の電力により上記電動機を駆動して上記油圧ユニットをアシストし、作業装置を回生側に作動させる回生操作時に上記電動機に回生電力を発生させて上記蓄電器に充電電力として供給するように構成された建設機械において、上記蓄電器の放電を指令する放電指令手段を備え、上記制御手段は、この放電指令手段からの放電指令に基づき、上記作業装置の駆動操作時に上記電動機を駆動して上記蓄電器の端子間電圧を低下させ、上記回生操作時に上記油圧ユニットのみによって作業装置を減速・停止させるように構成されたことを特徴とする建設機械。
  2. 上記制御手段は、上記放電指令に基づき、上記作業装置の駆動操作時に上記電動機に最大アシスト動力を指令するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の建設機械。
  3. 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作業装置としての上部旋回体とを備え、上記油圧ユニット及び電動ユニットはこの上部旋回体を旋回駆動する旋回駆動ユニットとして設けられ、上記制御手段は、旋回力行操作時を上記駆動操作時として上記電動機を駆動して上記油圧ユニットをアシストし、旋回停止または減速時を上記回生操作時として上記電動機に回生電力を発生させるように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の建設機械。
  4. 上記蓄電器の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、表示手段とが設けられ、上記制御手段は、上記電圧検出手段によって検出された端子間電圧が予め設定された安全値まで低下したときにその旨を上記表示手段に表示させるように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の建設機械。
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